JP7151698B2 - linear motor - Google Patents
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Description
本発明は、可動子と固定子とを組み合わせて直線運動出力を取り出すリニアモータに関する。 The present invention relates to a linear motor that combines a mover and a stator to extract linear motion output.
従来、X,Y移動には、回転型モータの出力をボールねじにて直線運動に変換する方法が用いられてきたが、移動速度が遅いため、直線運動出力を直接に取り出し可能なリニアモータの利用が進められている。リニアモータは、一般的には、複数の矩形状の永久磁石を有する可動子と、複数の磁極歯を有する電機子とを組み合わせて構成される。 Conventionally, for X and Y movement, a method of converting the output of a rotary motor into linear motion using a ball screw has been used. Usage is in progress. A linear motor is generally configured by combining a mover having a plurality of rectangular permanent magnets and an armature having a plurality of magnetic pole teeth.
また、半導体製造装置の加工機におけるワイヤボンダ、チップマウンタでは高速な反復運動が必要であるため、質量が小さくて大きな加速度が得られるリニアモータの使用が好ましい。このようなリニアモータとして、小型化を図るために、例えば特許文献1または2に開示されているように、固定子としての電機子の全面に可動子の永久磁石が対向するのではなく、可動子における永久磁石の配列長さを電機子の長さよりも短くした構成をなすリニアモータが採用されている。
In addition, since wire bonders and chip mounters in processing machines of semiconductor manufacturing equipment require high-speed repetitive motion, it is preferable to use linear motors that are small in mass and capable of obtaining large acceleration. In order to reduce the size of such a linear motor, for example, as disclosed in
この種のリニアモータは、複数の永久磁石を配列した磁石配列とこの磁石配列に一体化した平板状のバックヨークとを有する可動子と、複数の磁極歯夫々に駆動コイルを捲いた電機子とを隙間をあけて対向させた構成をなしている。駆動コイルへの通電によって、可動子(磁石配列及びバックヨーク)が移動し、可動子と電機子との長さの差がリニアモータの動作可能なストロークとなる。 A linear motor of this type consists of a mover having a magnet array in which a plurality of permanent magnets are arranged and a flat back yoke integrated with the magnet array, and an armature in which a drive coil is wound around each of a plurality of magnetic pole teeth. are opposed to each other with a gap between them. When the drive coil is energized, the mover (magnet arrangement and back yoke) moves, and the length difference between the mover and the armature becomes the operable stroke of the linear motor.
可動子を強磁性体で形成したバックヨークと磁石配列とで構成した場合、対向する固定子との間に吸引力が発生する。発生する吸引力により、可動子を所定方向に移動可能に支持するベアリングに大きな垂直抗力が働く。この垂直抗力は、ベアリングの短寿命化をもたらす。また、垂直抗力が働く方向は可動子の可動方向と交差する方向である。したがって、当該垂直抗力を考慮して、ベアリングの選定が必要となる。そのため、可動子による荷重に則したベアリングよりも、大型のベアリングを選定することになる。これは、リニアモータ全体の大型化につながる。 When the mover is composed of a back yoke made of a ferromagnetic material and a magnet array, an attractive force is generated between the mover and the opposing stator. Due to the generated attraction force, a large vertical force acts on the bearing that supports the mover so that it can move in a predetermined direction. This normal force shortens the bearing life. Also, the direction in which the normal force acts is the direction intersecting with the movable direction of the mover. Therefore, it is necessary to select a bearing in consideration of the normal force. Therefore, a large bearing is selected rather than a bearing suitable for the load of the mover. This leads to an increase in size of the linear motor as a whole.
そこで、上述のリニアモータとは異なり、磁石配列のみを可動子として機能させ、バックヨークは固定子として機能させるリニアモータが提案されている(特許文献3~5など)。
Therefore, unlike the linear motors described above, linear motors have been proposed in which only the magnet arrangement functions as a mover and the back yoke functions as a stator (
この種のリニアモータでは、磁石配列と平板状のバックヨークとを分離して、電機子とは反対側で隙間をあけてバックヨークを磁石配列に対向させ、磁石配列のみを移動可能としている。磁石配列のみが移動し、バックヨークは電機子と同様に移動しない。磁石配列の長さは電機子の長さより短く、この長さの差がリニアモータの動作可能なストロークとなる。 In this type of linear motor, the magnet array and the flat back yoke are separated, and the back yoke faces the magnet array with a gap on the side opposite to the armature, allowing only the magnet array to move. Only the magnet array moves, the back yoke does not move as well as the armature. The length of the magnet array is shorter than the length of the armature, and this length difference is the operable stroke of the linear motor.
可動子は、対向する電機子の磁極歯面に強く吸引される。この際の吸引力Fは、下記式で表される。
F=B2 S/2μ0
(但し、B:電極子の磁極歯上の磁束密度、S:可動子と電機
子との対向有効面積、μ0 :真空の透磁率)The mover is strongly attracted to the magnetic pole tooth surfaces of the opposing armature. The attraction force F at this time is represented by the following formula.
F=B 2 S/2μ 0
(However, B: magnetic flux density on the magnetic pole tooth of the electrode, S: opposing effective area between the mover and the armature, μ 0 : magnetic permeability of vacuum)
磁石配列と平板状のバックヨークとを一体化させた可動子を有するリニアモータ(一体型リニアモータ:特許文献1または2など)では、この吸引力は、通常定格推力の数倍から十倍以上となる。よって、大きな吸引力によって可動子が撓むという問題がある。この結果、このような撓みが発生するリニアモータを利用する加工機の寸法精度が悪化する。また、可動子の剛性を大きくする必要があり、構成が大型化するという難点がある。
In a linear motor having a mover in which a magnet array and a flat back yoke are integrated (integrated linear motor:
過大な吸引力は、可動子を支持するリニアガイドにも及ぼされるので、この過大な吸引力に耐え得るようにリニアガイドは定格荷重が大きいものが必要となり、この点でも構成の大型化が避けられない。よって、上記のような吸引力を低減することが望まれる。但し、吸引力を低減させる際に、小型の構成と大きな推力の発生とを何れも実現できるようにしておく必要がある。 Since excessive suction force is also exerted on the linear guide that supports the mover, the linear guide must have a large rated load to withstand this excessive suction force. can't Therefore, it is desirable to reduce the suction force as described above. However, when reducing the attraction force, it is necessary to realize both a compact configuration and a large thrust force generation.
また、一体型リニアモータでは、大きなエッジ効果によってコギングトルクが大きくなり、ディテント力が大きいという課題がある。 In addition, the integrated linear motor has a problem that the cogging torque becomes large due to the large edge effect, and the detent force becomes large.
磁石配列と平板状のバックヨークとを分離して磁石配列のみを移動させる構成のリニアモータ(分離型リニアモータ:特許文献3~5など)にあっては、磁石配列にはバックヨークと電機子との双方から吸引力が働くため、一体型リニアモータに比べて、全体の吸引力は小さくなる。しかしながら、分離型リニアモータでは、磁石配列に対向する磁極面積が、電機子側では対向する磁極歯の面積だけであるのに対して、バックヨーク側では全磁石の面積とほぼ同じ面積になる。よって、両隙間内での磁束密度が同じである場合には、この磁極面積の比率に応じて、バックヨーク側でより大きな吸引力が働くことになるため、全体的な吸引力の大幅な低減は望めない。
In a linear motor (separate type linear motor:
そこで、磁石配列とバックヨークとの隙間を広くして隙間の磁束密度を小さくし、磁石配列と電機子との間の吸引力と同程度にまで磁石配列とバックヨークとの吸引力を低減させることが考えられる。しかしながら、磁石配列とバックヨークとの隙間を広くした場合には、電機子からの推力発生のための磁束密度も低下するため、推力が小さくなるという問題がある。したがって、これまでに提案された分離型リニアモータにあっては、可動子に働く吸引力を低減させるためには推力の低下が避けられないという課題がある。 Therefore, the magnetic flux density in the gap is reduced by widening the gap between the magnet array and the back yoke, thereby reducing the attractive force between the magnet array and the back yoke to the same extent as the attractive force between the magnet array and the armature. can be considered. However, when the gap between the magnet array and the back yoke is widened, the magnetic flux density for generating thrust from the armature also decreases, resulting in a problem of reduced thrust. Therefore, in the separated linear motors proposed so far, there is a problem that the reduction of the thrust force is inevitable in order to reduce the attraction force acting on the mover.
また、分離型リニアモータでは、前述したように、可動子(磁石配列)と固定子(電機子)との間の吸引力、及び可動子とバックヨークとの吸引力が、略同じ大きさで、逆向きとなるため、可動子に働く吸引力を低減させることが可能となる。しかし、バックヨークと磁石配列とを分離したことにより、動作時のバックヨークに発生する渦電流が増大することが明らかとなった。渦電流の増大は発熱につながる。このようなリニアモータは、環境温度を所定の範囲に保つ必要がある装置、例えば半導体製造装置におけるステージの駆動源には適していない。 In the separated linear motor, as described above, the attractive force between the mover (magnet arrangement) and the stator (armature) and the attractive force between the mover and the back yoke are substantially the same. , are reversed, it is possible to reduce the attractive force acting on the mover. However, it has been found that the separation of the back yoke and the magnet arrangement increases the eddy current generated in the back yoke during operation. Increased eddy currents lead to heat generation. Such a linear motor is not suitable for use as a drive source for a stage in an apparatus that must maintain an ambient temperature within a predetermined range, such as a semiconductor manufacturing apparatus.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、小型の構成及び大きな推力の発生を達成しながら、吸引力を大幅に低減することが可能であるとともにディテント力を低減できるリニアモータを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a linear motor capable of significantly reducing the suction force and reducing the detent force while achieving a compact configuration and the generation of a large thrust force. intended to
本発明の他の目的は、磁石配列に働く吸引力を低減しつつ、渦電流を抑制可能なリニアモータを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a linear motor capable of suppressing eddy currents while reducing the attractive force acting on the magnet arrangement.
本発明に係るリニアモータは、複数の矩形状の永久磁石を配列させた磁石配列を有する可動子と、前記可動子に隙間をあけて対向配置した固定子としてのバックヨークと、前記可動子に隙間をあけて前記バックヨークとは反対側に対向配置した固定子としての電機子とを備えており、前記複数の永久磁石夫々の磁化方向は厚さ方向であって、隣り合う永久磁石同士の磁化方向は逆向きであり、前記電機子は、夫々に駆動コイルが捲かれている複数の磁極歯を等ピッチで有しており、前記バックヨークは、前記可動子に対向する面に、前記電機子の磁極歯と前記可動子の可動方向にあって同じ位置に複数の磁極歯を有しており、前記バックヨークにおける磁極歯の磁極面積は、前記電機子における磁極歯の磁極面積の0.9倍~1.1倍であり、前記可動子と前記バックヨークとの隙間は、前記可動子と前記電機子との隙間に等しいかまたは大きいことを特徴とする。 A linear motor according to the present invention includes: a mover having a magnet arrangement in which a plurality of rectangular permanent magnets are arranged; a back yoke as a stator disposed facing the mover with a gap; and an armature as a stator arranged opposite to the back yoke with a gap therebetween. The armature has a plurality of magnetic pole teeth, each of which is wound with a drive coil, at an equal pitch. A plurality of magnetic pole teeth are provided at the same position in the moving direction of the armature as the magnetic pole teeth of the armature. 0.9 times to 1.1 times, and the gap between the mover and the back yoke is equal to or larger than the gap between the mover and the armature.
本発明のリニアモータにあっては、複数の永久磁石を並べた磁石配列を有する可動子と、可動子に隙間をあけて対向配置したバックヨークと、バックヨークとは反対側で隙間をあけて可動子に対向配置した電機子とを有している。磁石配列が可動子として機能し、バックヨーク及び電機子は固定子として機能する。磁石配列における複数の矩形状の永久磁石夫々は厚さ方向に磁化されており、隣り合う永久磁石間でその磁化方向は逆向きである。電機子は、複数の磁極歯を等ピッチで有しており、各磁極歯には駆動コイルが捲かれている。バックヨークは、可動子に対向する面が平板状ではなく、複数の磁極歯が等ピッチで形成されている。バックヨークにおける磁極歯のピッチは、電機子の磁極歯のピッチに等しく、バックヨークにおける磁極歯の位置は、可動子(リニアモータ)の可動方向において電機子の磁極歯と同じ位置である。また、バックヨークの磁極歯の磁極面積は、電機子の磁極歯の磁極面積の0.9倍~1.1倍である。また、可動子とバックヨークとの隙間は、可動子と電機子との隙間以上である。 In the linear motor of the present invention, a mover having a magnet arrangement in which a plurality of permanent magnets are arranged, a back yoke facing the mover with a gap therebetween, and a gap on the side opposite to the back yoke. and an armature arranged to face the mover. The magnet array functions as a mover, and the back yoke and armature function as a stator. Each of the plurality of rectangular permanent magnets in the magnet array is magnetized in the thickness direction, and the magnetization directions are opposite between adjacent permanent magnets. The armature has a plurality of magnetic pole teeth arranged at an equal pitch, and each magnetic pole tooth is wound with a drive coil. The back yoke has a surface facing the mover that is not flat but has a plurality of magnetic pole teeth formed at equal pitches. The pitch of the magnetic pole teeth on the back yoke is equal to the pitch of the magnetic pole teeth on the armature, and the position of the magnetic pole teeth on the back yoke is the same as the magnetic pole teeth on the armature in the moving direction of the mover (linear motor). The magnetic pole area of the magnetic pole teeth of the back yoke is 0.9 to 1.1 times the magnetic pole area of the magnetic pole teeth of the armature. Also, the gap between the mover and the back yoke is greater than the gap between the mover and the armature.
本発明のリニアモータでは、バックヨークにも電機子と同じ位置に略同じ磁極面積の磁極歯を設けている。つまり、電機子からの駆動磁束が印加されるバックヨーク部分のみを可動子に近接させて、電機子の磁極歯に対向する部分以外で可動子からの隙間をあける構成としている。可動子に対向する電機子の磁極面積と、可動子に対向するバックヨークの磁極面積とが略等しくなるので、互いに効率良く相殺されて、全体の吸引力は大幅に小さくなる。したがって、可動子とバックヨークとの隙間を大きくしなくても吸引力の大幅な低減を実現できる。この際、可動子とバックヨークとの隙間を大きくする必要がないため、推力の低下が小さい。 In the linear motor of the present invention, the back yoke is also provided with magnetic pole teeth having substantially the same magnetic pole area at the same position as the armature. That is, only the back yoke portion to which the driving magnetic flux is applied from the armature is brought close to the mover, and a gap is provided from the mover except for the portion facing the magnetic pole teeth of the armature. Since the magnetic pole area of the armature facing the mover and the magnetic pole area of the back yoke facing the mover are substantially equal, they are effectively canceled out, and the overall attractive force is greatly reduced. Therefore, it is possible to greatly reduce the suction force without increasing the gap between the mover and the back yoke. At this time, since there is no need to increase the gap between the mover and the back yoke, the drop in thrust is small.
また、バックヨークへの磁極歯の形成による凹凸形状により、駆動磁束の剪断領域がバックヨークに生じるため、電機子だけでなくバックヨークも推力の発生に寄与する。この推力発生が、可動子との間隙(エアギャップ)が2箇所に増えたことに起因する推力の低下を補うことになり、全体としての大きな推力が得られる。したがって、大きな推力を維持しながら、磁石配列(可動子)に働く吸引力を大幅に低減できる。 In addition, due to the uneven shape of the magnetic pole teeth formed on the back yoke, a sheared region of the drive magnetic flux is generated in the back yoke, so that not only the armature but also the back yoke contributes to the generation of thrust. This thrust generation compensates for the drop in thrust caused by the increased air gaps with the mover at two locations, and a large overall thrust can be obtained. Therefore, it is possible to greatly reduce the attractive force acting on the magnet array (mover) while maintaining a large thrust.
本発明のリニアモータでは、複数の磁極歯を等ピッチで有する電機子と、この電機子の磁極歯と可動方向にあって同じ位置に複数の磁極歯を有するバックヨークとの間に、可動子を配置した構成であるため、可動方向に垂直な方向での磁石配列のコギングが少なくなるため、可動子のディテント力の低減を図ることができる。 In the linear motor of the present invention, a mover is provided between an armature having a plurality of magnetic pole teeth at an equal pitch and a back yoke having a plurality of magnetic pole teeth at the same positions as the magnetic pole teeth of the armature in the moving direction. , the cogging of the magnet arrangement in the direction perpendicular to the moving direction is reduced, so that the detent force of the mover can be reduced.
バックヨークの磁極歯の磁極面積をあまり広くした場合には、周りから磁束を多く拾って吸引力が大きくなり、一方、バックヨークの磁極歯の磁極面積をあまり狭くした場合には、推力を得るための磁束が減って推力が低下する。よって、バックヨークの磁極歯の磁極面積を、電機子の磁極歯の磁極面積の0.9倍~1.1倍とする。 If the magnetic pole area of the magnetic pole teeth of the back yoke is too wide, a large amount of magnetic flux is picked up from the surroundings, resulting in a large attractive force. The magnetic flux for the thrust decreases and the thrust decreases. Therefore, the magnetic pole area of the magnetic pole teeth of the back yoke is set to 0.9 to 1.1 times the magnetic pole area of the magnetic pole teeth of the armature.
電機子の磁極歯には駆動コイルが捲かれるため、電機子の磁極歯はあまり低く構成されず、電機子の磁極歯の高さはバックヨークにおける磁極歯の高さよりも高くなる。このためバックヨークでは磁極歯の高さが低いため磁極歯以外の部分にも磁束が発生して吸引力が電機子側より大きくなる傾向にある。よって、吸引力の効率的な相殺が行えるように、可動子とバックヨークとの隙間を、可動子と電機子との隙間に等しいかまたは大きくする。 Since the magnetic pole teeth of the armature are wound with drive coils, the magnetic pole teeth of the armature are not formed very low, and the height of the magnetic pole teeth of the armature is higher than the height of the magnetic pole teeth of the back yoke. For this reason, since the height of the magnetic pole teeth is low in the back yoke, magnetic flux is generated in portions other than the magnetic pole teeth, and the attracting force tends to be larger than that on the armature side. Therefore, the gap between the mover and the back yoke is made equal to or larger than the gap between the mover and the armature so that the attractive force can be effectively canceled.
本発明に係るリニアモータは、前記バックヨークにおける前記磁極歯の高さは、該磁極歯のピッチの1/20倍以上2倍以下であることを特徴とする。 The linear motor according to the present invention is characterized in that the height of the magnetic pole teeth in the back yoke is 1/20 to 2 times the pitch of the magnetic pole teeth.
本発明のリニアモータにあっては、バックヨークの磁極歯の高さをピッチに比べて小さくし過ぎた場合には、磁極歯(凹凸形状)を設けた効果が得られず、一方、磁極歯の高さをピッチに比べて大きくし過ぎた場合には、効果が変わらずに小型化に逆行する。よって、バックヨークにおける磁極歯の高さを、磁極歯のピッチの1/20倍以上2倍以下とする。 In the linear motor of the present invention, if the height of the magnetic pole teeth of the back yoke is too small compared to the pitch, the effect of providing the magnetic pole teeth (concavo-convex shape) cannot be obtained. If the height of is made too large compared to the pitch, the effect is the same and goes against the trend of miniaturization. Therefore, the height of the magnetic pole teeth in the back yoke is set to 1/20 to 2 times the pitch of the magnetic pole teeth.
本発明に係るリニアモータは、前記可動子の長さは、前記電機子の長さよりも短く、前記バックヨークの長さよりも短いことを特徴とする。 The linear motor according to the present invention is characterized in that the length of the mover is shorter than the length of the armature and shorter than the length of the back yoke.
本発明のリニアモータにあっては、可動子の長さが電機子及びバックヨーク夫々の長さよりも短い。よって、小型の構成であり、大きな加速度を確保できる。また、エッジ効果が小さくなるため、コギングトルクは小さくなって、ディテント力の低減を図れる。 In the linear motor of the present invention, the length of the mover is shorter than the lengths of the armature and the back yoke. Therefore, it has a small configuration and can secure a large acceleration. In addition, since the edge effect is reduced, the cogging torque is reduced and the detent force can be reduced.
本発明に係るリニアモータは、前記可動子と前記バックヨークとの隙間の大きさ、及び/または、前記可動子と前記電機子との隙間の大きさは可変であることを特徴とする。 The linear motor according to the present invention is characterized in that the size of the gap between the mover and the back yoke and/or the size of the gap between the mover and the armature are variable.
本発明のリニアモータにあっては、可動子とバックヨークとの隙間の大きさ、及び/または、可動子と電機子との隙間の大きさが可変である。よって、使用時の駆動起磁力の大きさに応じて可動子とバックヨークとの隙間の大きさ及び/または可動子と電機子との隙間の大きさを調整することにより、吸引力をほぼ零にすることが可能である。 In the linear motor of the present invention, the size of the gap between the mover and the back yoke and/or the size of the gap between the mover and the armature are variable. Therefore, by adjusting the size of the gap between the mover and the back yoke and/or the size of the gap between the mover and the armature according to the size of the drive magnetomotive force during use, the attractive force can be reduced to almost zero. It is possible to
本発明に係るリニアモータは、複数の矩形状の永久磁石を配列させた磁石配列を有する可動子と、前記可動子に隙間をあけて対向配置した固定子としてのバックヨークと、前記可動子に隙間をあけて前記バックヨークとは反対側に対向配置した固定子としての電機子とを備えており、前記複数の永久磁石夫々の磁化方向は厚さ方向であって、隣り合う永久磁石同士の磁化方向は逆向きであり、前記電機子は、夫々に駆動コイルが捲かれている複数の磁極歯を等ピッチで有しており、前記バックヨークは、前記可動子に対向する面に、前記電機子の磁極歯と前記可動子の可動方向にあって同じ位置に複数の磁極歯を有しており、前記バックヨークが有する前記磁極歯は、複数の板状部材を前記可動子の可動方向と交差する方向に積層してなることを特徴とする。 A linear motor according to the present invention includes: a mover having a magnet arrangement in which a plurality of rectangular permanent magnets are arranged; a back yoke as a stator disposed facing the mover with a gap; and an armature as a stator arranged opposite to the back yoke with a gap therebetween. The armature has a plurality of magnetic pole teeth, each of which is wound with a drive coil, at an equal pitch. The magnetic pole teeth of the armature and the magnetic pole teeth of the armature are provided at the same positions in the moving direction of the mover, and the magnetic pole teeth of the back yoke form a plurality of plate members in the moving direction of the mover. It is characterized by being laminated in a direction intersecting with.
本発明のリニアモータにあっては、磁極歯を積層構造とすることにより、可動子に働く吸引力を低減しつつ、渦電流を低減することが可能となる。 In the linear motor of the present invention, by making the magnetic pole teeth into a laminated structure, it is possible to reduce the eddy current while reducing the attractive force acting on the mover.
本発明に係るリニアモータは、前記バックヨークは、前記磁極歯の根元部から前記磁極歯の突出する方向とは逆方向の一部が、複数の板状部材を前記磁極歯の積層方向に積層してなり、前記バックヨークの積層部分を構成する板状部材と、前記磁極歯を構成する板状部材とは、一体となっていることを特徴とする。 In the linear motor according to the present invention, a part of the back yoke in a direction opposite to the direction in which the magnetic pole teeth protrude from the roots of the magnetic pole teeth is formed by laminating a plurality of plate-like members in the lamination direction of the magnetic pole teeth. The plate member forming the laminated portion of the back yoke and the plate member forming the magnetic pole tooth are integrated.
本発明のリニアモータにあっては、バックヨークは、磁極歯との接続部分から厚さ方向の一部を積層構造とすることにより、更に渦電流を低減することが可能となる。また、バックヨークの積層部分を構成する板状部材と、磁極歯を構成する板状部材とは、一体となっているため、製造工数が削減される。 In the linear motor of the present invention, the eddy current can be further reduced by making the back yoke a laminated structure in a portion of the thickness direction from the connection portion with the magnetic pole teeth. In addition, since the plate-like member forming the laminated portion of the back yoke and the plate-like member forming the magnetic pole tooth are integrated, the manufacturing man-hours can be reduced.
本発明に係るリニアモータは、前記複数の板状部材は、積層面に絶縁処理を施してあることを特徴とする。 The linear motor according to the present invention is characterized in that the laminated surfaces of the plurality of plate members are subjected to insulation treatment.
本発明のリニアモータにあっては、複数の板状部材は、積層面に絶縁処理を施してあるので、更に渦電流を低減することが可能となる。 In the linear motor of the present invention, the laminated surfaces of the plurality of plate-like members are insulated, so it is possible to further reduce eddy currents.
本発明に係るリニアモータは、前記可動子は、前記磁石配列を保持する保持部材を有しており、前記保持部材は、前記複数の永久磁石それぞれが挿入される複数の孔を有していることを特徴とする。 In the linear motor according to the present invention, the mover has a holding member that holds the magnet array, and the holding member has a plurality of holes into which the plurality of permanent magnets are respectively inserted. It is characterized by
本発明のリニアモータにあっては、保持部材により磁石配列(複数の永久磁石)を保持している。よって、可動子(磁石配列)の剛性が大きくなるため、永久磁石の撓み、曲げなどの変形が生じにくくディテント力を低減できる。 In the linear motor of the present invention, the holding member holds the magnet arrangement (plurality of permanent magnets). Therefore, since the rigidity of the mover (magnet arrangement) is increased, deformation such as bending and bending of the permanent magnet is less likely to occur, and the detent force can be reduced.
本発明に係るリニアモータは、前記可動子は、前記保持部材及び前記複数の永久磁石が接着固定される板状のベース材を有することを特徴とする。 The linear motor according to the present invention is characterized in that the mover has a plate-like base member to which the holding member and the plurality of permanent magnets are adhered and fixed.
本発明のリニアモータにあっては、複数の永久磁石が保持部材の孔に挿入された状態で、磁石配列(複数の永久磁石)及び保持部材が板状のベース材に接着固定されている。よって、可動子(磁石配列)の剛性を更に高めてディテント力の更なる低減を図れるとともに、永久磁石の抜け落ちを防止できる。 In the linear motor of the present invention, the magnet arrangement (plurality of permanent magnets) and the holding member are adhesively fixed to the plate-like base material with the plurality of permanent magnets inserted into the holes of the holding member. Therefore, it is possible to further increase the rigidity of the mover (magnet arrangement) to further reduce the detent force, and prevent the permanent magnets from falling off.
本発明のリニアモータでは、小型の構成と大きな推力の発生とを実現しながら、可動子(磁石配列)に働く吸引力を大幅に低減することができるとともに、可動子のディテント力を低減することができる。よって、大きな吸引力に伴う撓みによる変形を抑制でき、リニアモータが利用される装置の寸法精度の悪化を防止できる。吸引力を小さくできるため、可動子の剛性と可動子を支持する支持系の剛性とを小さくでき、小型化を図れるだけでなく、可動質量の軽量化によって加速度を改善できる。また、バックヨークに磁極歯構造を設けることにより、バックヨークからの推力が可動子に付加されるため、磁石配列とバックヨークとの間に隙間を設けたことによる推力の低下を最小限に抑えることができる。 In the linear motor of the present invention, it is possible to greatly reduce the attractive force acting on the mover (magnet arrangement) while realizing a compact configuration and generating a large thrust force, and reduce the detent force of the mover. can be done. Therefore, it is possible to suppress deformation due to bending due to a large suction force, and prevent deterioration of the dimensional accuracy of the device using the linear motor. Since the attraction force can be reduced, the rigidity of the movable element and the rigidity of the support system that supports the movable element can be reduced, and not only can the size be reduced, but also the acceleration can be improved by reducing the weight of the movable mass. In addition, by providing the back yoke with a magnetic pole tooth structure, the thrust from the back yoke is applied to the mover, minimizing the decrease in thrust caused by providing a gap between the magnet arrangement and the back yoke. be able to.
また、本発明のリニアモータでは、可動子(磁石配列)に働く吸引力を低減しつつ、渦電流を抑制することが可能である。 Further, in the linear motor of the present invention, it is possible to suppress eddy current while reducing the attractive force acting on the mover (magnet arrangement).
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the drawings showing its embodiments.
(実施の形態1)
図1及び図2は、実施の形態1のリニアモータ1の構成を示す斜視図及び側面図である。図3及び図4は、実施の形態1のリニアモータ1における可動子2の構成例を示す平面図及び分解斜視図である。なお、図1及び図2では、可動子2のみは磁石の配置がわかるように可動方向に平行な方向からの断面を表している。(Embodiment 1)
1 and 2 are a perspective view and a side view showing the configuration of a
リニアモータ1は、可動子2とバックヨーク3と電機子4とを含む。可動子2に隙間をあけてバックヨーク3が対向配置され、可動子2に隙間をあけてバックヨーク3とは反対側に電機子4が対向配置されている。バックヨーク3及び電機子4は固定子として機能する。
A
長尺状をなす可動子2は、図4に示すように、複数の永久磁石21と保持枠22と固定板23とを含む。複数の永久磁石21の並置方向が、可動子2の長手方向となっている。各永久磁石21は矩形状をなす。各永久磁石21は例えば、Nd-Fe-B系の希土類磁石である。各永久磁石21は厚さ方向(図2の上下方向)に磁化されており、隣り合う永久磁石21,21同士でその磁化方向は逆向きである。即ち、磁石配列では、バックヨーク3側から電機子4側に向かう方向に磁化された永久磁石21と、電機子4側からバックヨーク3側に向かう方向に磁化された永久磁石21とが交互に配置されている。
The
図4に示すように、保持枠22は矩形板状をなしている。保持枠22の厚さは、永久磁石21の厚さより小さい。保持枠22には矩形状の孔221が複数設けてある。保持枠22は、例えばSUS、アルミニウムなどの非磁性材料により構成される。孔221は永久磁石21と対応する形状としてある。各永久磁石21は孔221に嵌め込まれ、接着剤で保持枠22に固定される。保持枠22に固定された各永久磁石21が等ピッチで並置されるように、孔221は設けてある。また、永久磁石21を保持枠22に固定する際には、隣り合う永久磁石21、21同士の磁化方向が逆向きとなるように、孔221に嵌め込む。図3に示すように、各永久磁石21は角度θでスキュー配置としてある。
As shown in FIG. 4, the holding
複数の永久磁石21が保持枠22の孔221に挿入されて保持された状態で、保持枠22が固定板23に接着剤で固定されている。また、各永久磁石21の底面も固定板23に接着されている。固定板23は非磁性のSUS等で構成される。このように、磁石配列が保持枠22に保持されて固定板23に接着固定されているため、可動子2の剛性は高く、永久磁石21の抜け落ちも起こらない。固定板23がバックヨーク3に対向するように、バックヨーク3と電機子4との間隙に可動子2が配置される。なお、固定板23は必須ではなく、永久磁石21が保持枠22にて十分保持される場合には不要である。
The holding
バックヨーク3及び電機子4の可動方向(図2の左右方向)における長さは略等しく、可動子2の可動方向(図2の左右方向)における長さは、これらのバックヨーク3及び電機子4における長さよりも短く、この長さの差がリニアモータ1の動作可能なストロークとなる。このような構成により、エッジ効果の低減を図っている。
The lengths of the
軟鋼製、好ましくは軟質磁性体(例えば、珪素鋼板)であるバックヨーク3の可動子2と対向しない側の面は平板状であるが、バックヨーク3の可動子2と対向する側の面は平板状ではなく、可動方向に等ピッチにて複数の矩形状の磁極歯31が形成されている。各磁極歯31の高さは、磁極歯31の形成ピッチの1/20倍以上2倍以下、好ましくは、1/10倍以上1倍以下である。例えば、各磁極歯31の高さは、磁極歯31の形成ピッチの半分程度である。
The surface of the
電機子4では、軟質磁性体製であるコア41に可動方向に等ピッチにて軟質磁性体製の複数の矩形状の磁極歯42が一体的に設けられており、各磁極歯42に駆動コイル43が捲かれている。
In the
バックヨーク3における磁極歯31のピッチは、電機子4の磁極歯42のピッチに等しく、バックヨーク3における各磁極歯31の位置は、可動子2の可動方向において電機子4の各磁極歯42の位置と同じである。また、バックヨーク3の磁極歯31の可動子2に対向する磁極面の形状は、電機子4の磁極歯42の可動子2に対向する磁極面とほぼ同じ形の矩形状をなしており、前者の磁極面積は後者の磁極面積の0.9倍~1.1倍である。例えば、磁極歯31の磁極面と磁極歯42の磁極面とは、同一の矩形状であって、同一の面積を有する。また、可動子2とバックヨーク3との隙間は、可動子2と電機子4との隙間と同じかまたは大きい。例えば、後者の隙間は0.5mmであり、前者の隙間は0.5mm以上である。この場合の可動子2とバックヨーク3との隙間とは固定板23を構成として含む場合であっても、固定板23の厚さを含まず、可動子2そのものとバックヨーク3の間隔(最短距離)を示している。言い換えるとこの隙間は磁気的な隙間(磁気ギャップ)であり、非磁性体である固定板23の厚さを考慮する必要は無い。
The pitch of the
実施の形態1のリニアモータ1は、7個の永久磁石21と6個の磁極歯31及び磁極歯42が対向する7極6スロットを基本構成としている。図1及び図2に示す形態では、基本構成を2倍した14極12スロット構成を有している。
The
実施の形態1のリニアモータ1では、バックヨーク3の可動子2に対向する側の面に、電機子4の磁極歯42と可動方向での同じ位置にほぼ同一形状の磁極面を有して磁極面積がほぼ同じである磁極歯31を形成している。よって、可動子2及びバックヨーク3間に生じる吸引力の大きさと、可動子2及び電機子4間に生じる吸引力の大きさとがほぼ等しくなり、図2の上下方向にあって両方の吸引力が効果的に相殺されるため、リニアモータ1全体として可動子2に働く吸引力は非常に小さくなる。このように、実施の形態1のリニアモータ1では、可動子2とバックヨーク3との隙間を大きくしなくても吸引力の大幅な低減を実現できる。よって、可動子2とバックヨーク3との隙間を大きくする必要がないため、推力の低下を起こすことがない。
In the
また、実施の形態1のリニアモータ1では、上述したように、複数の磁極歯42を等ピッチで有する電機子4と、この電機子4の磁極歯42と可動方向にあって同じ位置に複数の磁極歯31を有するバックヨーク3との間に、可動子2を配置した構成であるので、可動方向に垂直な方向での磁石配列のコギングトルクが少なくなるため、可動子2のディテント力の低減を図ることができる。更に、磁石配列を保持枠22で保持して固定板23に接着固定するようにしたので、可動子2の剛性を大きくできるため、永久磁石21の撓み、曲げなどの変形が生じにくく、この点でも可動子2のディテント力の低減に寄与する。
Further, in the
実施の形態1のリニアモータ1では、バックヨーク3に複数の磁極歯31を形成しており、この可動子2に対向する凹凸形状により駆動磁束の剪断領域が発生するため、電機子4だけでなくバックヨーク3も推力の発生に寄与する。図5は、実施の形態1のリニアモータ1における磁束の流れを示す側面図である。図5において、矢印は磁束の流れを示している。リニアモータ1では、電機子4側における磁束の剪断によって推力が発生すると共に、バックヨーク3側における磁束の剪断によっても推力が発生することになり、リニアモータ1に生じる推力は、これらの両推力を合計したものとなる。なお、実施の形態1のような磁極歯31を形成せずにバックヨークが平板状であるようなリニアモータでは、バックヨーク側では推力が発生せず、電機子側における磁束の剪断による推力のみとなる。
In the
実施の形態1のリニアモータ1では、可動子2とバックヨーク3との間にも隙間を設けるので、この隙間によって推力が低下することが懸念される。しかしながら、上述したようにバックヨーク3側でも推力を発生できるため、隙間に起因する推力の低下を補えて大きな推力を実現できる。
In the
以上のことから、実施の形態1のリニアモータ1にあっては、大きな推力を維持しながら、可動子2に働く吸引力を大幅に低減することができる。したがって、可動子2には吸引力に伴う撓みがほとんど発生せず、リニアモータ1を用いた半導体製造装置での加工機などにおける寸法精度は非常に高くなる。
As described above, in the
また、実施の形態1のリニアモータ1では、吸引力を小さくできるため、剛性が小さい永久磁石21及び保持枠22を使用しても支障は生じない。よって、可動子2の小型化を図れると共に、可動子2の軽量化に伴って大きな加速度を実現することが可能である。また、可動子2の摩耗も少ないため、リニアモータ1の長寿命化を図れる。
In addition, in the
リニアモータでは、可動子の移動を平滑に行うために、後述するように可動子の側面にリニアガイドを設けることが一般的であるが、実施の形態1のリニアモータ1では吸引力が小さくなるので、リニアガイドも剛性が小さいものを使用でき、この点でもリニアモータの小型化と長寿命化に寄与できる。 In a linear motor, in order to move the mover smoothly, it is common to provide a linear guide on the side surface of the mover as will be described later. Therefore, a linear guide with low rigidity can be used, which also contributes to miniaturization and extension of the life of the linear motor.
実施の形態1のリニアモータ1では、可動子2の長さをバックヨーク3及び電機子4の長さよりも短くして、更なる小型化及び軽量化と高速化とを図っている。
In the
以下、本発明者が作製した実施の形態1におけるリニアモータ1の具体的な構成と、作製したリニアモータ1の特性とについて説明する。
A specific configuration of the
まず、可動子2を作製した。Nd-Fe-B系の希土類磁石(Br =1.395T、HcJ=1273kA/m)ブロックから、厚さ5mm、幅12mm、長さ82mmの矩形状の14個の永久磁石21を切り出した。切り出した永久磁石21を、厚さ方向に着磁した。次に、厚さ3mmのSUS板から図4に示すような保持枠22をワイアーカットにて切り出した。切り出した保持枠22を、厚さ0.2mmのSUS板からなる固定板23に接着固定した。そして、保持枠22の孔221に、隣り合う永久磁石21の磁化方向が互いに逆向きになるように、接着剤が塗布された14個の永久磁石21をスキュー角θ=3.2°を付与して嵌めこみ、永久磁石21を保持枠22及び固定板23に接着固定した。ここでは、可動子2の軽量化と磁石配列の大きな剛性との両立を実現できるように、永久磁石21の厚さ5mmに対して、保持枠22の厚さを3mmとした。First, the
なお、上記の例とは異なり、厚さ0.5mmのSUS板にプレス加工で孔を空けたものを6枚重ねてカシメ処理で固定する手法にて、保持枠22を作製するようにしても良い。この場合には、作製コストの低減を図れる。
In addition, unlike the above example, the holding
次いで、バックヨーク3を作製した。図6は、実施の形態1のリニアモータ1におけるバックヨーク3の側面形状を示す図である。
Next, a
軟鋼(JIS規格 G3101 種類記号 SS400材)から図6に示すような寸法を有するブロックを削り出して、18個の同一形状の磁極歯31(幅:6mm、高さ:3mm、長さ:82mm、磁極面積492mm2 )を等ピッチ(15.12mm)に有するバックヨーク3を作製した。A block having dimensions as shown in FIG. 6 was machined from mild steel (JIS G3101 type symbol SS400 material), and 18
次いで、電機子4を作製した。図7は、実施の形態1のリニアモータ1における電機子4の作製に用いる電機子素材を示す平面図である。図7に示すような形状をなす電機子素材44を0.5mm厚さの珪素鋼板(JIS規格 C2552 種類記号 50A800材)から164枚切り出し、切り出した164枚を重ねて側面をCO2 レーザにて溶融一体化させて、幅82mm、高さ31mm、長さ263.04mmのブロック体(コア41に18個の同一形状の磁極歯42(幅:6mm、高さ:25mm、長さ:82mm、磁極面積492mm2 )を等ピッチ(15.12mm)に有する構成)を得た。Next, an
次に、このブロック体に巻き線を挿入した。図8は、実施の形態1のリニアモータ1における電機子4の巻き線を示す図である。電機子4の各磁極歯42のアーム部に、直径2mmのエナメル被覆導線を17回捲き付けたものをワニス含浸させて固定することにより、駆動コイル43とした。
Next, winding wires were inserted into this block. FIG. 8 is a diagram showing windings of the
図8におけるU、V、Wは夫々3相交流電源のU相、V相、W相を示し、各相のコイルはすべて直列接続とした。Uコイル、Vコイル、Wコイルは上から見て電流が時計回りに流れるように結線し、-Uコイル、-Vコイル、-Wコイルは上から見て電流が反時計回りに流れるように結線して、電機子4を作製した。そして、6個ずつのUコイル、-Uコイル、Vコイル、-Vコイル、Wコイル、-Wコイルをスター結線して3相交流電源に接続した。
U, V, and W in FIG. 8 indicate the U-phase, V-phase, and W-phase of a three-phase AC power source, respectively, and the coils of each phase are all connected in series. The U, V, and W coils are wired so that the current flows clockwise when viewed from above, and the -U, -V, and -W coils are wired so that the current flows counterclockwise when viewed from above. Then, an
次いで、作製したバックヨーク3及び電機子4を、両者の間隔が一定の6mmに保たれるように、治具を用いて固定した。なお、バックヨーク3と電機子4との隙間が6mmになるように固定したが、この隙間はリニアモータ1組み立て後に調整できる構造とした。次いで、可動子2の側面にリニアガイド(図示せず)を取り付けた後、バックヨーク3及び電機子4の隙間に、バックヨーク3及び電機子4夫々と所定の距離を隔てて、厚さ5mmの可動子2を挿入して、リニアモータ1を作製した。この際、可動子2とバックヨーク3の磁極歯31との隙間の距離、及び、可動子2と電機子4の磁極歯42との隙間の距離を、何れも0.5mmとした。また、リニアガイドと電機子4間には、吸引力を測定できるようにロードセルを設けた。
Next, the
バックヨーク3と電機子4との隙間を調整できる構造としているため、可動子2と電機子4(磁極歯42)との隙間の距離を一定とした状態で、可動子2とバックヨーク3(磁極歯31)との隙間の距離を任意に設定して可変とすることができる。なお、バックヨーク3及び電機子4の隙間への可動子2の挿入位置を調整することにより、可動子2とバックヨーク3(磁極歯31)との隙間の距離、及び、可動子2と電機子4(磁極歯42)との隙間の距離の比を所望の値に設定することも可能である。
Since the gap between the
その他、電機子4と可動子2を支持するリニアガイドの間及び電機子4とバックヨーク3の間における隙間を調節する機構として、隙間調整ネジを挿入して高さを調整する機構や断面形状がテーパ状になっているシム板をネジにより挿入して高さを調節する機構が採用可能である。
In addition, as a mechanism for adjusting the gap between the linear guide that supports the
図9A及び9Bは、このようにして作製した実施の形態1の一例のリニアモータ1の構成を示す図であり、図9Aはその上面図、図9Bはその側面図である。図9Bにあって、白抜き矢符は永久磁石21の磁化方向を表し、実線矢符は、可動子2の可動方向を表している。また、このリニアモータ1の作製仕様の詳細は以下の通りである。
9A and 9B are diagrams showing the configuration of an example of the
磁極構成:7極6スロット
永久磁石21の材質:Nd-Fe-B系希土類磁石(日立金属製NMX
-S49CH材)
永久磁石21の形状:厚さ5.0mm,幅12mm,長さ82mm
永久磁石21のピッチ:12.96mm
永久磁石21のスキュー角:3.2°
バックヨーク3の形状:厚さ6.0mm,幅90mm,長さ263.04mm
バックヨーク3の材質:軟鋼(JIS規格 G3101 種類記号 SS400材)
磁極歯31の形状:幅6.0mm,高さ:3.0mm,長さ:82mm
磁極歯31のピッチ:15.12mm
コア41の体格:高さ31mm,幅82mm,長さ263.04mm
コア41の材質:珪素鋼板(JIS規格 C2552 種類記号 50A800材)
磁極歯42の形状:幅6.0mm,高さ:25mm,長さ:82mm
磁極歯42のピッチ:15.12mm
駆動コイル43の形状:幅15.12mm,高さ23mm,長さ91.12mm
駆動コイル43の巻き厚:4.06mm
駆動コイル43の巻き線の径,巻き数:直径2mm,17ターン
巻き線抵抗(1個):0.0189Ω
可動子2の質量:516.6gMagnetic pole configuration: 7 poles 6 slots Material of permanent magnet 21: Nd-Fe-B rare earth magnet (Hitachi Metals NMX
-S49CH material)
Shape of permanent magnet 21: thickness 5.0 mm,
Pitch of permanent magnet 21: 12.96 mm
Skew angle of permanent magnet 21: 3.2°
Shape of back yoke 3: thickness 6.0 mm,
Material of back yoke 3: Mild steel (JIS standard G3101 type symbol SS400 material)
Shape of magnetic pole tooth 31: width 6.0 mm, height: 3.0 mm, length: 82 mm
Pitch of magnetic pole teeth 31: 15.12 mm
Body size of core 41:
Material of core 41: Silicon steel plate (JIS standard C2552 type symbol 50A800 material)
Shape of magnetic pole tooth 42: width 6.0 mm, height: 25 mm, length: 82 mm
Pitch of magnetic pole teeth 42: 15.12 mm
Shape of drive coil 43: width 15.12 mm,
Winding thickness of drive coil 43: 4.06 mm
Diameter and number of windings of drive coil 43: 2 mm in diameter, 17 turns Winding resistance (one piece): 0.0189 Ω
Mass of mover 2: 516.6 g
上述したリニアモータ1では、可動子2の長さ(190mm)は、バックヨーク3及び電機子4の長さ(何れも263.04mm)よりも短い。バックヨーク3における磁極歯31のピッチ、電機子4における磁極歯42のピッチは、何れも15.12mmであって等しく、磁極歯31及び磁極歯42は、可動方向において同じ位置にある。
In the
磁石配列に対向する磁極歯31の磁極面の形状と、磁石配列に対向する磁極歯42の磁極面の形状とは、同一寸法の矩形状である。つまり、磁極歯31の幅(可動方向の寸法)及び磁極歯42の幅(可動方向の寸法)は、何れも6mmであって等しく、磁石配列に対向する磁極歯31の磁極面積及び磁石配列に対向する磁極歯42の磁極面積は、何れも492mm2 であって等しい。The shape of the magnetic pole face of the
このようにして組み立てたリニアモータ1を推力測定用テストベンチに設置し、可動子2(磁石配列)の位置に同期した3相定電流電源により駆動して可動子2を移動させ、推力と吸引力とを測定した。
The
図10は、実施の形態1の一例のリニアモータ1の電気角に対する推力変動を示すグラフである。この推力変動は、駆動起磁力(=駆動電流の大きさ×駆動コイル43の巻き数)を1200Aとした場合における可動子2位置に対する推力(U相、V相、W相の3相合成推力)の変化を表している。図10において、横軸は電気角[°]であり、縦軸は推力[N]である。また、図中aは電機子4による推力、図中bはバックヨーク3による推力、図中cは全体の推力(電機子4による推力とバックヨーク3による推力との加算推力)を夫々表している。図10に示すように、全域にわたってほぼ一定の大きな推力を得られていることが分かる。
FIG. 10 is a graph showing the thrust force variation with respect to the electrical angle of the
図11は、実施の形態1の一例のリニアモータ1の推力特性を示すグラフである。この推力特性は、駆動コイル43への印加電流を変化させた場合の特性を表している。図11において、横軸は駆動起磁力[A]であり、左縦軸は推力[N]、右縦軸は推力起磁力比[N/A]である。また、図中aは推力、図中bは推力起磁力比を夫々表している。このリニアモータ1では、推力比例限(推力起磁力比が10%低下)が駆動起磁力1200A時の1000Nである。
FIG. 11 is a graph showing thrust characteristics of the
図12は、実施の形態1の一例のリニアモータ1の吸引力特性を示すグラフである。この吸引力特性は、駆動コイル43への印加電流を変化させた場合の特性を表している。図12において、横軸は駆動起磁力[A]であり、縦軸は吸引力[N]である。なお、吸引力は、+側で可動子2が電機子4側へ吸引され、-側で可動子2がバックヨーク3側へ吸引されることを示している。駆動起磁力の増加に応じて吸引力も大きくなっていき、例えば駆動起磁力が1200Aである場合に、290Nほどの吸引力で可動子2がバックヨーク3側へ吸引されている。
FIG. 12 is a graph showing attractive force characteristics of the
ところで、実施の形態1のリニアモータ1を従来のリニアモータと比較して評価するために、従来例として2種のリニアモータ(第1従来例及び第2従来例)を作製して、それらの特性(推力と吸引力)を測定した。
By the way, in order to evaluate the
まず、第1従来例の構成について説明する。図13は、第1従来例のリニアモータの構成を示す側面図である。第1従来例は、特許文献1または2に準じた構成を有するリニアモータ(一体型リニアモータ)である。
First, the configuration of the first conventional example will be described. FIG. 13 is a side view showing the configuration of the linear motor of the first conventional example. A first conventional example is a linear motor (integrated linear motor) having a configuration conforming to
第1従来例のリニアモータ50は、磁石配列52とバックヨーク53とを一体化させてなる可動子51と、可動子51に隙間をあけて対向配置した電機子54とを有している。第1従来例では、磁石配列52及びバックヨーク53を一体化させた構造物が可動子として機能し、電機子54は固定子として機能する。
A
磁石配列52の構成は、前述した可動子2の磁石配列の構成と同様である。即ち、磁石配列52は、複数の矩形状の永久磁石55を、等ピッチで非磁性材の保持枠に保持固定して可動方向(図13の左右方向)に設置させて構成され、各永久磁石55は厚さ方向(図13の上下方向)に磁化されており、隣り合う永久磁石55,55同士でその磁化方向は逆向きである。第1従来例のリニアモータ50では、この磁石配列52が軟鋼製の平板状のバックヨーク53に接着している。また、電機子54の構成は、前述した電機子4の構成と同様であって、コア56に可動方向に等ピッチにて複数の磁極歯57が一体的に設けられており、各磁極歯57に駆動コイル58が捲かれている。
The configuration of the
図14A及び14Bは、このような第1従来例のリニアモータ50の構成を示す図であり、図14Aはその上面図、図14Bはその側面図である。図14Bにあって、白抜き矢符は永久磁石55の磁化方向を表し、実線矢符は可動子51の可動方向を表している。なお、可動子51と電機子54との隙間の大きさは、0.5mmまたは1mmとした。このリニアモータ50の作製仕様の詳細は以下の通りである。
14A and 14B are diagrams showing the configuration of such a first conventional
磁極構成:7極6スロット
永久磁石55の材質:Nd-Fe-B系希土類磁石(日立金属製NMX
-S49CH材)
永久磁石55の形状:厚さ5.0mm,幅12mm,長さ82mm
永久磁石55のピッチ:12.96mm
永久磁石55のスキュー角:3.2°
バックヨーク53の形状:厚さ6.0mm,幅90mm,長さ190mm
バックヨーク53の材質:軟鋼(JIS規格 G3101 種類記号 SS400材)
コア56の体格:高さ31mm,幅82mm,長さ263.04mm
コア56の材質:珪素鋼板(JIS規格 C2552 種類記号 50A800材)
磁極歯57の形状:幅6.0mm,高さ:25mm,長さ:82mm
磁極歯57のピッチ:15.12mm
駆動コイル58の形状:幅15.12mm,高さ23mm,長さ91.12mm
駆動コイル58の巻き厚:4.06mm
駆動コイル58の巻き線の径,巻き数:直径2mm,17ターン
巻き線抵抗(1個):0.0189Ω
可動子51(磁石配列52+バックヨーク53)の質量:1321.01gMagnetic pole configuration: 7 poles 6 slots Material of permanent magnet 55: Nd-Fe-B rare earth magnet (Hitachi Metals NMX
-S49CH material)
Shape of permanent magnet 55: thickness 5.0 mm,
Pitch of permanent magnets 55: 12.96 mm
Skew angle of permanent magnet 55: 3.2°
Shape of back yoke 53: thickness 6.0 mm,
Material of back yoke 53: Mild steel (JIS standard G3101 type symbol SS400 material)
Body size of core 56:
Material of core 56: Silicon steel plate (JIS standard C2552 type symbol 50A800 material)
Shape of magnetic pole tooth 57: width 6.0 mm, height: 25 mm, length: 82 mm
Pitch of magnetic pole teeth 57: 15.12 mm
Winding thickness of drive coil 58: 4.06 mm
Diameter and number of windings of the drive coil 58:
Mass of mover 51 (
可動子51(磁石配列52及びバックヨーク53の一体化構成)の可動方向(図13の左右方向)における長さは、電機子54の長さよりも短く、この長さの差がリニアモータ50の動作可能なストロークとなる。
The length in the movable direction (horizontal direction in FIG. 13) of the mover 51 (integrated configuration of the
次に、第2従来例の構成について説明する。図15は、第2従来例のリニアモータの構成を示す側面図である。第2従来例は、特許文献3~6に準じた構成を有するリニアモータ(分離型リニアモータ)である。なお、図15では、磁石配列62のみは磁石の配置がわかるように可動方向に平行な方向からの断面を表している。
Next, the configuration of the second conventional example will be described. FIG. 15 is a side view showing the configuration of the linear motor of the second conventional example. The second conventional example is a linear motor (separate type linear motor) having a configuration conforming to Patent Documents 3-6. In FIG. 15, only the
第2従来例のリニアモータ60は、磁石配列62と、磁石配列62に隙間をあけて対向配置したバックヨーク63と、磁石配列62に隙間をあけてバックヨーク63とは反対側に対向配置した電機子64とを有している。磁石配列62のみが可動子として機能し、バックヨーク63及び電機子64は固定子として機能する。
The
磁石配列62の構成は、前述した可動子2の磁石配列の構成と同様である。即ち、磁石配列62は、複数の矩形状の永久磁石65を、等ピッチで非磁性材の保持枠に保持固定して可動方向(図15の左右方向)に設置させて構成され、各永久磁石65は厚さ方向(図15の上下方向)に磁化されており、隣り合う永久磁石65,65同士でその磁化方向は逆向きである。軟鋼製であるバックヨーク63は、磁石配列62に対向しない側の面だけでなく、磁石配列62に対向する側の面も平板状であり、実施の形態1のリニアモータ1のような磁極歯は存在しない。また、電機子64の構成は、前述した電機子4の構成と同様であって、コア66に可動方向に等ピッチにて複数の磁極歯67が一体的に設けられており、各磁極歯67に駆動コイル68が捲かれている。
The configuration of the
図16A及び16Bは、このような第2従来例のリニアモータ60の構成を示す図であり、図16Aはその上面図、図16Bはその側面図である。図16Bにあって、白抜き矢符は永久磁石65の磁化方向を表し、実線矢符は磁石配列62(可動子)の可動方向を表している。なお、磁石配列62とバックヨーク63との隙間の大きさ、及び、磁石配列62と電機子64との隙間の大きさを、何れも0.5mmとした。また、このリニアモータ60の作製仕様の詳細は以下の通りである。
16A and 16B are diagrams showing the configuration of such a
磁極構成:7極6スロット
永久磁石65の材質:Nd-Fe-B系希土類磁石(日立金属製NMX
-S49CH材)
永久磁石65の形状:厚さ5.0mm,幅12mm,長さ82mm
永久磁石65のピッチ:12.96mm
永久磁石65のスキュー角:3.2°
バックヨーク63の形状:厚さ6.0mm,幅90mm,長さ215mm
バックヨーク63の材質:軟鋼(JIS規格 G3101 種類記号 SS400材)
コア66の体格:高さ31mm,幅82mm,長さ263.04mm
コア66の材質:珪素鋼板(JIS規格 C2552 種類記号 50A800材)
磁極歯67の形状:幅6.0mm,高さ:25mm,長さ:82mm
磁極歯67のピッチ:15.12mm
駆動コイル68の形状:幅15.12mm,高さ23mm,長さ91.12mm
駆動コイル68の巻き厚:4.06mm
駆動コイル68の巻き線の径,巻き数:直径2mm,17ターン
巻き線抵抗(1個):0.0189Ω
可動子(磁石配列62)の質量:516.6gMagnetic pole configuration: 7 poles 6 slots Material of permanent magnet 65: Nd-Fe-B rare earth magnet (NMX manufactured by Hitachi Metals
-S49CH material)
Shape of permanent magnet 65: thickness 5.0 mm,
Pitch of permanent magnet 65: 12.96 mm
Skew angle of permanent magnet 65: 3.2°
Shape of back yoke 63: thickness 6.0 mm,
Material of back yoke 63: Mild steel (JIS standard G3101 type symbol SS400 material)
Body size of core 66:
Material of core 66: Silicon steel plate (JIS standard C2552 type symbol 50A800 material)
Shape of magnetic pole tooth 67: width 6.0 mm, height: 25 mm, length: 82 mm
Pitch of magnetic pole teeth 67: 15.12 mm
Winding thickness of drive coil 68: 4.06 mm
Winding diameter and number of turns of drive coil 68:
Mass of mover (magnet array 62): 516.6 g
磁石配列62の可動方向(図15の左右方向)における長さは、電機子64の長さよりも短く、この長さの差がリニアモータ60の動作可能なストロークとなる。
The length of the
上述した第1従来例、第2従来例、及び実施の形態1の一例における特性(推力と吸引力)の比較について説明する。 A comparison of the characteristics (thrust force and suction force) in the first conventional example, the second conventional example, and the example of the first embodiment will be described.
図17は、第1従来例、第2従来例、及び実施の形態1の一例のリニアモータにおける平均推力を示すグラフである。図17は、駆動起磁力を1200Aとした場合の平均推力[N]を表している。また、図18は、第1従来例、第2従来例、及び実施例のリニアモータにおける平均吸引力を示すグラフである。図18は、駆動起磁力を1200Aとした場合の平均吸引力[N]を表している。ここで、平均推力と平均吸引力は、U相電気角0°から360°の範囲において15°間隔で25点の推力と吸引力を測定(計算)し、その平均を算出したものである。 FIG. 17 is a graph showing the average thrust in the linear motors of the first conventional example, the second conventional example, and an example of the first embodiment. FIG. 17 shows the average thrust [N] when the drive magnetomotive force is 1200A. Also, FIG. 18 is a graph showing the average attraction forces in the linear motors of the first conventional example, the second conventional example, and the working example. FIG. 18 shows the average attractive force [N] when the driving magnetomotive force is 1200A. Here, the average thrust force and the average attraction force are obtained by measuring (calculating) the thrust force and the attraction force at 25 points at intervals of 15° in the U-phase electrical angle range of 0° to 360°, and calculating the average thereof.
図17及び図18にあって、Aは磁石配列52・バックヨーク53一体型の第1従来例にあって可動子51と電機子54との隙間を0.5mmとしたリニアモータ50(以下、リニアモータ50Aともいう)であり、Bは磁石配列52・バックヨーク53一体型の第1従来例にあって可動子51と電機子54との隙間を1mmとしたリニアモータ50(以下、リニアモータ50Bともいう)であり、Cは磁石配列62とバックヨーク63とを離隔させた第2従来例にあって磁石配列62とバックヨーク63との隙間、及び、磁石配列62と電機子64との隙間を何れも0.5mmとしたリニアモータ60であり、Dは可動子2(磁石配列)から離隔したバックヨーク3に磁極歯31を形成した実施の形態1の一例にあって可動子2とバックヨーク3との隙間、及び、可動子2と電機子4との隙間を何れも0.5mmとしたリニアモータ1である。
In FIGS. 17 and 18, A denotes a linear motor 50 (hereinafter referred to as linear motor 50) in the first conventional example of
第1従来例のリニアモータ50A(図中A)では、推力が最も大きくて1030Nあるが、吸引力は4200Nで推力の4倍程度の大きな数値となっている。この吸引力を低減する対策としてのリニアモータ50B(図中B)では、得られる推力の低下が著しく909Nになるのに対して吸引力はあまり低減せずに3360Nである。よって、十分な対策になっていないことが理解される。
In the
第2従来例のリニアモータ60(図中C)では、980Nの比較的大きい推力を得ることができるが、吸引力については1712Nもの大きな力によってバックヨーク63側に吸引されており、吸引力の十分な低減がなされていない。
With the linear motor 60 (C in the figure) of the second conventional example, a relatively large thrust force of 980 N can be obtained, but the attraction force is attracted to the
これに対して、実施の形態1の一例のリニアモータ1(図中D)では、リニアモータ50Aと遜色がない1000Nの大きな推力を得ることができている。また、吸引力についてはバックヨーク3側に290N(リニアモータ50Aの1/14程度)まで大幅に低減できている。したがって、実施の形態1の一例のリニアモータ1では、大きな推力を維持しながら、吸引力を大幅に低減できることが立証されている。
On the other hand, in the linear motor 1 (D in the figure) of the example of
ところで、実施の形態1の一例のリニアモータ1にあっては、図12にも示すように、吸引力の大きさは駆動起磁力の大きさによって変化する。よって、よく使用される推力領域(駆動起磁力)に合わせて、可動子2とバックヨーク3との隙間の大きさを調整するようにすれば、より吸引力を小さくできる。
By the way, in the
前述した実施の形態1の一例では、可動子2とバックヨーク3との隙間、及び、可動子2と電機子4との隙間を何れも0.5mmと等しくしたが、実施の形態1の他の例では、可動子2と電機子4との隙間は0.5mmのままで、可動子2とバックヨーク3との隙間を0.74mmとした。なお、他の構成は前述した一例と同じである。
In the example of the first embodiment described above, the gap between the
図19は、実施の形態1の他の例のリニアモータ1の推力特性を示すグラフであり、図20は、実施の形態1の他の例のリニアモータ1の吸引力特性を示すグラフである。図19において、横軸は駆動起磁力[A]であり、左縦軸は推力[N]、右縦軸は推力起磁力比[N/A]であり、aは推力、bは推力起磁力比を夫々表している。また、図20において、横軸は駆動起磁力[A]であり、縦軸は吸引力[N]である。
19 is a graph showing the thrust force characteristic of the
他の例では、駆動起磁力が1200Aである場合に推力は978Nとなって、前述した一例に比べて少し落ちるが、吸引力については駆動起磁力が1200Aである場合に18Nしかなくてほぼ零を実現できている。これは、リニアガイドや可動子や周辺の構造物に吸引力による変形や寿命低下が無視できるレベルの吸引力である。よって、1200A近傍の駆動起磁力にて使用する場合には、他の例のリニアモータ1の方が、前述した一例と比べて、吸引力の低減という目的には適していることが分かる。
In another example, when the driving magnetomotive force is 1200A, the thrust is 978N, which is slightly lower than the previous example. has been realized. This is a level of attractive force at which the linear guide, mover, and surrounding structures can be disregarded for deformation and life reduction due to the attractive force. Therefore, when used with a drive magnetomotive force of around 1200 A, it can be seen that the
また、実施の形態1の更に他の例として、可動子2と電機子4との隙間は0.5mmのままで、可動子2とバックヨーク3との隙間を0.66mmとしたリニアモータ1を作製した。なお、他の構成は前述した一例と同じである。
Further, as still another example of the first embodiment, the
図21は、実施の形態1の更に他の例のリニアモータ1の推力特性を示すグラフであり、図22は、実施の形態1の更に他の例のリニアモータ1の吸引力特性を示すグラフである。図21において、横軸は駆動起磁力[A]であり、左縦軸は推力[N]、右縦軸は推力起磁力比[N/A]であり、aは推力、bは推力起磁力比を夫々表している。また、図22において、横軸は駆動起磁力[A]であり、縦軸は吸引力[N]である。
21 is a graph showing the thrust force characteristic of the
更に他の例では、駆動起磁力が1200Aである場合に推力は984Nとなって、前述した一例に比べて少し落ちるが、吸引力については駆動起磁力が600Aである場合に5Nしかなくてほぼ零を実現できている。よって、600A近傍の駆動起磁力にて使用する場合には、更に他の例のリニアモータ1が、吸引力を低減するためには最適であることが分かる。
In yet another example, when the driving magnetomotive force is 1200A, the thrust is 984N, which is slightly lower than the previous example. We have achieved zero. Therefore, when used with a driving magnetomotive force of around 600 A, it can be seen that the
以上のことから、頻度が高い使用領域に応じて、可動子2とバックヨーク3との隙間の大きさを最適に設定することにより、吸引力を大幅に低減できてほぼ零が達成可能である。この結果、可動子2(磁石配列)の撓みに起因した寸法精度の悪化、リニアガイドへの過重負荷による寿命の低下などを防止することができる。
From the above, by optimally setting the size of the gap between the
なお、上述した形態では、可動子2と電機子4との隙間の大きさを固定して可動子2とバックヨーク3との隙間の大きさを変動させる例について説明したが、これとは逆に、可動子2とバックヨーク3との隙間の大きさを固定して可動子2と電機子4との隙間の大きさを変動させる例、バックヨーク3と電機子4との隙間の大きさを固定して可動子2の位置を変動させる例などにより、零に近い吸引力を実現することも可能である。
In the embodiment described above, an example in which the size of the gap between the
また、上述した形態では、可動子2が電機子4よりも短い構成のリニアモータ1について説明したが、これとは逆に、可動子が電機子よりも長い構成のリニアモータについても、本発明の特徴(バックヨークに磁極歯を形成)は適用可能である。
Further, in the above embodiment, the
(実施の形態2の基本例)
図23及び図24は実施の形態2のリニアモータ1の構成例を示す斜視図及び側面図である。なお、図23及び図24では、可動子2のみは磁石の配置がわかるように可動方向に平行な方向からの断面を表している。(Basic example of Embodiment 2)
23 and 24 are a perspective view and a side view showing a configuration example of the
実施の形態2のリニアモータ1は、実施の形態1と同様に、可動子2とバックヨーク3と電機子4とを含み、バックヨーク3及び電機子4が固定子として機能する。
A
なお、実施の形態2のリニアモータ1における可動子2及び電機子4の構成は、前述した実施の形態1のリニアモータ1における可動子2及び電機子4の構成と同じであるので、その説明は省略する。
The configuration of the
実施の形態2のリニアモータ1では、バックヨーク3の構成が、実施の形態1のリニアモータ1と異なっている。バックヨーク3は磁極歯31及びベース板32を含む。ベース板32は矩形板状をなしている。磁極歯31はベース板32に固定されている。磁極歯31は、その一部分がベース板32から突出するように固定されている。突出している部分の形状は直方体状である。複数の磁極歯31はベース板32の長手方向に沿って、等ピッチで配置されている。磁極歯31は例えば、後述するように積層珪素鋼板により形成する。ベース板32は例えば、SS400などの炭素鋼により形成する。
The
バックヨーク3と電機子4とは、間隙を隔てて対向配置される。そして、当該間隙に可動子2が配置される。可動子2の第一の面は隙間をあけてバックヨーク3と対向している。可動子2の第一の面と対向する第二の面は隙間をあけて電機子4と対向する。
The
図24に示すように、バックヨーク3及び電機子4の可動方向(図24の左右方向)における長さは略等しい。また、バックヨーク3における磁極歯31のピッチは、電機子4の磁極歯42のピッチに等しい。バックヨーク3における各磁極歯31の位置は、可動子2の可動方向において電機子4の各磁極歯42の位置と同じである。また、磁極歯31の磁極面と磁極歯42の磁極面とは、同一の矩形状であって、同一の面積を有する。また、可動子2とバックヨーク3との隙間は、可動子2と電機子4との隙間とほぼ同じである。
As shown in FIG. 24, the
可動子2において、隣り合う永久磁石21、21の磁化方向が逆向きとなっている。可動子2をバックヨーク3と電機子4との間隙に配置すると、バックヨーク3側から電機子4側に向かう方向に磁化された永久磁石21と、電機子4側からバックヨーク3側に向かう方向に磁化された永久磁石21とが交互に配置される構成となる。
In the
リニアモータ1の動作時には、バックヨーク3の磁極歯31と可動子2の永久磁石21との間に吸引力が発生する。また、電機子4の磁極歯42と可動子2の永久磁石21との間にも吸引力が発生する。可動子2に働く2つの吸引力は互いに反対方向である。磁極歯31の磁極面と磁極歯42の磁極面とを、同一の矩形状また同一の面積とする等磁気回路を調整することで、吸引力の大きさは略等しくすることができる。それによって、磁極歯31と永久磁石21との間に発生する吸引力、及び磁極歯42と永久磁石21との間に発生する吸引力をバランスさせることができる。すなわち、2つの吸引力を互いに打ち消すことができる。なお、加工誤差、組立誤差などの要因で、2つの吸引力をバランスさせることが困難な場合、磁極歯31と永久磁石21との間隔、または磁極歯42と永久磁石21との間隔を調整して、2つの吸引力をバランスさせる。
During operation of the
以上のように、実施の形態2のリニアモータ1は、前述した実施の形態1のリニアモータ1と同様な構成を有しているため、実施の形態2のリニアモータ1にあっても、実施の形態1のリニアモータ1と同じく、大きな推力を維持しながら、可動子2に働く吸引力を大幅に低減することができる。また、実施の形態2のリニアモータ1にあっても、実施の形態1のリニアモータ1と同じく、可動子2のディテント力の低減を図ることができる。
As described above, the
以下、実施の形態2の特徴であるバックヨーク3の構成について、詳細を説明する。図25はバックヨーク3に含まれる磁極歯31の構成例を示す斜視図である。磁極歯31は断面T字状をなしておりその底部(図25における下側)から短手方向に突出した2つの突出部31a、31aを有している。(このため図25においてはH字状を横にした形状としてある)突出部31a、31aは後述のアリ溝321の凹部32a、32aと係合する部位である。リニアモータ1の動作時において、磁極歯31の短手方向は可動子2の可動方向に平行な方向となる。
The configuration of the
磁極歯31は磁極片311を積層してなる。磁極片311は矩形板状の一部を切り欠いて形成した係合用の突出部311aを含む。磁極片311は軟磁性を有する珪素鋼等の薄板により形成する。積層された磁極片311同士の固定は、熱溶着やカシメなどにて行う。熱溶着の場合は、例えば、まず、磁極片311の表面に熱硬化性の接着剤を塗布するか熱溶着性の塗膜を付したものを、積層した後に板面に圧力を掛けながら加熱する。加熱により磁極片311同士が固定される。
The
なお、磁極歯31を構成する磁極片311の板厚を薄くするほど、すなわち磁極片311の枚数を増やすほど渦電流損は低減する。強度や組み立ての手間を考慮すると、磁極片311の板厚は0.2~0.5mm程度とすることが望ましい。磁極歯31を構成する磁極片311の枚数や板厚は、求められる仕様に応じて適宜設計すれば良い。
Eddy current loss is reduced as the thickness of the
図26はバックヨーク3に含まれるベース板32の構成例を示す部分斜視図である。図26は説明の都合上、図24及び図25と上下方向を逆にして描いている。ベース板32は短手方向に沿ってアリ溝321が設けてある。アリ溝321は磁極片311の突出部311a(磁極歯31の突出部31a)に対応した形状としてある。アリ溝321は突出部311a(突出部31a)に対応する凹部32aを有している。図24及び図25に示すように、ベース板32には複数のアリ溝321が形成してある。複数のアリ溝321は、可動子2の可動方向に沿って、等ピッチで設けてある。複数のアリ溝321の配列方向は、リニアモータ1動作時において、可動子2の可動方向に平行な方向である。
FIG. 26 is a partial perspective view showing a configuration example of the
図27はバックヨーク3の部分斜視図である。図26と同様に、説明の都合上、図24及び図25と上下方向を逆にして描いている。バックヨーク3において、磁極歯31の突出部31aはアリ溝321に係合している。
FIG. 27 is a partial perspective view of the
磁極歯31のベース板32への固定は、例えば次のように行う。アリ溝321と磁極歯31片方あるいは両方に接着剤を塗布する。治具等を用い、アリ溝321に磁極歯31をはめ込み位置決めをする。接着剤が硬化したら治具を取り外す。なお、固定方法はこれに限らない。磁極歯31のピッチや、磁極歯31のベース板32から突出量が所定の誤差範囲内に収まるように固定できるのであれば、他の方法でもよい。
The fixing of the
リニアモータ1は、電機子4の駆動コイル43に3相交流を印加することにより、電機子4の磁極歯42、可動子2の永久磁石21及びバックヨーク3の磁極歯31を流れる磁束が発生する。発生した磁束による可動子2と電機子4との間に発生する吸引力、及び可動子2とバックヨーク3との間に発生する吸引力が可動子2の推力となり、可動子2が移動する。
By applying a three-phase alternating current to the
次に渦電流の低減について説明する。図28はリニアモータ1の部分側面図である。図28において、磁束の流れの一例を実線の矢印で、渦電流の一例を点線の矢印で示す。図28に示すように、磁極歯31において、磁束は紙面上下方向に流れる。すなわち、磁極歯31を構成する磁極片311の板面に平行な方向に流れる。渦電流は磁束の流れる方向と垂直な平面上で磁束の変化を妨げる方向に流れようとする。すなわち、図28に示す場合では、磁束の流れる方向に対して直交し反時計回りに流れようとする。この渦電流の方向は、磁極歯31を構成する磁極片311の板面を貫こうとする方向である。しかし、磁極歯31は複数の磁極片311を積層しており、磁極片311間の電気抵抗が大きいため、渦電流を低減することが可能となる。更に、磁極片311の板面(表面)に絶縁被膜を施した場合には、磁極片311間で流れる渦電流を更に低減することが可能となる。
Next, reduction of eddy current will be described. FIG. 28 is a partial side view of the
図29A及び29Bは渦電流によるジュール損失の一例を示すグラフであって、図29Aは関連する技術によるリニアモータのジュール損失を示すグラフであり、図29Bは実施の形態2の基本例におけるリニアモータ1のジュール損失を示すグラフである。関連する技術によるリニアモータと実施の形態2におけるリニアモータとの構成の違いは次のとおりである。前者は磁極歯を積層構造としていない。例えば、前者における磁極歯は軟磁性体のブロックである。またはベース板32と磁極歯31が一体として軟磁性体で構成されていても良い。それに対して、後者は磁極歯31が積層構造となっている。それ以外の条件、リニアモータの構造、寸法、及びコイルの巻き数、並びに駆動条件は同一とした。例えばコイルの駆動電流は70.6Aであり可動子の移動速度は1000mm/sとした。
29A and 29B are graphs showing an example of joule loss due to eddy currents, FIG. 29A is a graph showing joule loss of a linear motor according to related technology, and FIG. 1 is a graph showing the joule loss of 1; The difference in configuration between the linear motor according to the related art and the linear motor according to the second embodiment is as follows. The former does not have a laminated magnetic pole tooth structure. For example, the magnetic pole teeth in the former are blocks of soft magnetic material. Alternatively, the
図29A及び29Bの横軸は可動子2の位置を示す電気角である。横軸の単位は度(°)である。図29A及び29Bの縦軸は渦電流によるジュール損失である。単位はワット(W)である。バックヨークと付したグラフはバックヨークでのジュール損失を示す。図29Aに示すように、磁極歯を積層構造としない関連する技術によるリニアモータでは、バックヨークでのジュール損失が80W前後であるのに対して、磁極歯31を積層構造とした実施の形態2のリニアモータ1では、バックヨーク3でのジュール損失が50W前後まで低減している。
The horizontal axis in FIGS. 29A and 29B is the electrical angle indicating the position of the
図29A及び29Bにおいて、U、V、Wと付したグラフはそれぞれコイルU相、V相、W相で発生する通電によるジュール損失を絶対値で示したものである。なお、図29A及び29Bにおいてコイルへの通電によるコイルでのジュール損失は同じであるが、バックヨークでのジュール損失に大きな違いが出ている。本結果は、同一寸法形状下において磁極歯を積層構造としない場合に対して積層構造とした場合で渦電流によるジュール損失を低減できることを示す例であって、リニアモータの大きさやリニアモータの速度によって渦電流によるジュール損失の絶対値は変わってくるが同一速度における両者の効果の比率は維持される。 In FIGS. 29A and 29B, the graphs labeled U, V, and W show absolute values of Joule loss due to energization occurring in the U-phase, V-phase, and W-phase coils, respectively. Note that in FIGS. 29A and 29B, the joule loss in the coil due to the energization of the coil is the same, but there is a large difference in the joule loss in the back yoke. This result is an example showing that Joule loss due to eddy current can be reduced when the magnetic pole tooth is of a laminated structure compared to when the magnetic pole tooth is not of a laminated structure under the same size and shape. Although the absolute value of the Joule loss due to the eddy current changes depending on the velocity, the ratio of both effects is maintained at the same speed.
実施の形態2におけるリニアモータ1は、次のような効果を奏する。磁極歯31は珪素鋼板により形成した磁極片311を積層して構成してある。そのため、渦電流の方向は板面を貫こうとする方向となる。この際、磁極片311表面の隙間や磁極片同士の接触抵抗、磁極片311表面に形成される酸化皮膜などにより、磁極歯31における渦電流方向の電気抵抗は、磁極歯31を軟磁性体ブロックで形成した場合と比べて、大きくなっている。したがって、磁極歯31に流れる渦電流を低減することが可能となる。なお、磁極片311の表面(積層面)を、絶縁物質の被膜を形成するなどをした絶縁処理を施してもよい。絶縁処理を施した場合には、各珪素鋼板間で渦電流をより低減することが可能になる。
The
また、実施の形態2においては、バックヨーク3が有する磁極歯31を積層構造とした。例えばバックヨーク全体を積層鋼板で形成した場合には、剛性が下がることが懸念される。その場合は可動子2との間で発生する吸引力により、バックヨーク3に撓みが生じるおそれがある。しかし、基本例では、磁極歯31のみを積層構造とし、磁極歯31が固定されるベース板32は積層構造としない。そのため、バックヨーク3の撓みは関連する技術(磁極歯31とベース板32を軟磁性体でそれぞれ形成した場合や、磁極歯31とベース板32を軟質磁性体により一体で形成した場合)による構成と比較しても、軽微である。
Further, in
(実施の形態2の第1変形例)
第1変形例は、バックヨーク3を構成するベース板の一部を積層構造とする形態に関する。図30はバックヨーク3の他の構成例を示す側面図である。バックヨーク3はベース部33及び磁極歯ブロック34を含む。磁極歯ブロック34は被嵌合部34a及び複数の磁極歯31を含む。(First Modification of Embodiment 2)
A first modified example relates to a mode in which a part of the base plate forming the
図31は磁極歯ブロック34の構成例を示す斜視図である。磁極歯ブロック34は複数の磁極歯片(板状部材)341を積層してなる。磁極歯片341の積層方向は、磁極歯31の配列方向に交差する方向である。磁極歯片341は被嵌合部341a、接続部341b及び複数の突出部341cを含む。被嵌合部341aは断面逆台形状をなす。被嵌合部341aは磁極歯ブロック34の被嵌合部34aとなる部分である。突出部341cは断面矩形状をなす。複数の突出部341cは、磁極歯片341の長手方向に等ピッチで形成してある。突出部341cは磁極歯ブロック34の磁極歯31となる部分である。接続部341bは磁極歯片341の高さ方向で被嵌合部341aと突出部341cとの間に位置する部分である。接続部341bは複数の突出部341cを接続している。磁極歯片341は例えば、珪素鋼板で形成する。接続部341bは、バックヨーク3のベース部分の一部となる積層部分を構成する板状部材である。突出部341cは磁極歯31を構成する板状部材である。磁極歯片341は、2つの板状部材を一体としたものである。
FIG. 31 is a perspective view showing a configuration example of the magnetic
図32はベース部33の構成例を示す斜視図である。図32に示すベース部33は図30に示すベース部33とは、上下を反転している。ベース部33は矩形板状をなす。ベース部33は断面が台形状の嵌合溝33aが形成してある。
FIG. 32 is a perspective view showing a configuration example of the
ベース部33の嵌合溝33aには磁極歯ブロック34の被嵌合部34aが嵌合する。なおベース部33において、可動子2の可動方向の長さは、磁極歯ブロック34の可動方向の長さに合わせて設定すれば良い。磁極歯ブロック34のベース部33への固定は次のように行う。嵌合溝33aまたは被嵌合部34aの片方または両方に接着剤を塗布した後に、嵌合し行う。それにより、ベース部33と磁極歯ブロック34とは、固定される。以上の結果、バックヨーク3が形成される。
A fitted portion 34 a of the magnetic
次に渦電流の低減について説明する。図33はリニアモータ1の部分側面図である。図33において、磁束の流れの一例を実線の矢印で、渦電流の一例を点線の矢印で示す。磁極歯31における渦電流の低減については、前述した基本例と同様であるから、説明を省略する。ここでは、磁極歯ブロック34の接続部341bでの渦電流の低減について説明する。図33に示すように、接続部341bにおいて、磁束は紙面左右方向に流れる。すなわち、磁極歯ブロック34を構成する磁極歯片341の板面に平行な方向に流れる。渦電流は磁束の流れる方向と垂直な平面上で磁束の変化を妨げる方向に流れようとする。すなわち、図33に示すように、磁束の流れる方向を軸として反時計回りに流れようとする。この渦電流の方向は、磁極歯ブロック34を構成する磁極歯片341の板面を貫こうとする方向である。しかし、磁極歯ブロック34は複数の磁極歯片341を積層し、磁極歯片341間の電気抵抗は大きくなっているため、渦電流を低減することが可能となる。更に、板面に絶縁被膜が施した場合には、磁極歯片341間で流れる渦電流を更に低減することが可能となる。
Next, reduction of eddy current will be described. 33 is a partial side view of the
更に、接続部341bの高さについて、説明する。図33に示すように、接続部341bの高さをdとする。隣接する磁極歯31間を流れる磁束は、紙面左右方向に流れる。磁束が流れる経路は最短となるような経路を辿る。そのため、磁極歯31から一定以上の距離が離れた部分には磁束は流れない。したがって、接続部341bの高さdは、紙面左右方向の磁束を十分に流せる値とすればよい。また、磁束が流れないベース部33については非磁性材で形成することが可能である。例えば、高剛性でヤング率が大きいアルミナなどにより、ベース部33を形成する。あるいは非磁性ステンレスやアルミニウム合金等が使用可能である。
Furthermore, the height of the connecting
図34A及び34Bは渦電流によるジュール損失の一例を示すグラフであり、図34Aは基本例におけるリニアモータ1のジュール損失を示すグラフである。図34Aは図29Bを再掲したものである。図34Bは第1変形例におけるリニアモータ1のジュール損失を示すグラフである。基本例は磁極歯31が積層構造となっているのに対し、第1変形例においては磁極歯及びベース板の一部が積層構造となっている。それ以外の条件、リニアモータの構造、寸法、及びコイルの巻き数、並びに駆動条件は同一とした。例えばコイルの駆動電流は70.6Aであり可動子の移動速度は1000mm/sとした。
34A and 34B are graphs showing an example of Joule loss due to eddy current, and FIG. 34A is a graph showing Joule loss of
図34Aに示すように、基本例におけるリニアモータ1では、バックヨーク3のジュール損失が50W前後であるのに対して、第1変形例のリニアモータ1では、図34Bに示すように、バックヨーク3のジュール損失が2.5W前後まで低減している。接続部341bが積層構造であるため、接続部341bに流れる磁束による渦電流も低減されるからである。図34A及び34Bにおいて、U、V、Wと付したグラフはそれぞれコイルU相、V相、W相で発生する通電によるジュール損失を絶対値で示したものである。なお、図34A及び34Bにおいてコイルへの通電によるコイルでのジュール損失は同じであるが、バックヨークでのジュール損失に大きな違いが出ている。本結果は、同一寸法形状下において磁極歯のみを積層構造とした場合と、磁極歯とバックヨークの一部を積層構造とした場合では、後者の方が渦電流によるジュール損失を低減できることを示す例であって、リニアモータの大きさやリニアモータの速度によって渦電流によるジュール損失の絶対値は変わってくるが同一速度における両者の効果の比率は維持される。
As shown in FIG. 34A, in the
第1変形例におけるリニアモータ1では、磁極歯ブロック34は珪素鋼板(磁極歯片341)を積層して構成してある。リニアモータ1は、磁極歯31に加えて、バックヨーク3の磁極歯31との接続部分から厚さ方向の一部を積層構造としてある。そのため、隣接する磁極歯31間を接続部341bに流れる磁束は磁極歯片341の表面に平行な方向である。磁束の流れにより発生する渦電流の方向は磁極歯片341の板面を貫こうとする方向となる。しかし、磁極歯片341表面の隙間やその表面に形成される酸化皮膜などにより、接続部341bにおける渦電流方向の電気抵抗は、積層構造としない場合と比べて、大きくなっている。したがって、接続部341bに流れる渦電流を低減することが可能となる。よって、バックヨーク3に流れる渦電流を更に低減することが可能となる。
In the
また、第1変形例においては、基本例1が奏する前述した効果に加えて、次のような効果を奏する。バックヨーク3の一部であるベース部33を非磁性材料で形成することが可能であるから、ヤング率の高い材料、例えばアルミナで構成することが可能となる。それにより、バックヨーク3全体の剛性が増加するので、可動子2との間で生じる吸引力による撓みを軽減することが可能なる。更にまた、ベース部33の材質によりバックヨーク3全体の剛性が求められる剛性を上回っている場合には、バックヨーク3を薄くすることが可能となる。
Moreover, in the first modified example, in addition to the above-described effects of the basic example 1, the following effects are obtained. Since the
(実施の形態2の第2変形例)
第2変形例はバックヨーク3を構成するベース板32の一部を積層構造とする形態に関する。図35はバックヨーク3の他の構成例を示す側面図である。バックヨーク3は複数のバックヨークユニット301及びバックヨークユニット302を含む。バックヨークユニット301はベース部35及び磁極歯ユニット36を含む。バックヨークユニット302はベース部35及び磁極歯ユニット37を含む。バックヨークユニット301とバックヨークユニット302との違いは、含まれる磁極歯ユニットの違いである。バックヨーク3の一端部をバックヨークユニット301とし、他端部をバックヨークユニット302とする。それにより、図35に示すように、両端部に磁極歯31を備えるバックヨーク3を構成することが可能となっている。(Second modification of Embodiment 2)
The second modified example relates to a mode in which a part of the
図36A及び36Bは磁極歯ユニット36、37の構成例を示す斜視図であり、図36Aは磁極歯ユニット36の構成例を示し、図36Bは磁極歯ユニット37の構成例を示している。磁極歯ユニット36は櫛歯状に形成された複数の磁極歯31及び被嵌合部36aを含む。磁極歯31は断面矩形状をなしている。被嵌合部36aは断面逆台形状をなしている。
36A and 36B are perspective views showing configuration examples of the magnetic
磁極歯ユニット36は複数の磁極歯片(板状部材)361を積層してなる。磁極歯片361の積層方向は、磁極歯31の配列方向に交差する方向である。磁極歯片361は被嵌合部361a、接続部361b及び複数の突出部361cを含む。被嵌合部361aは断面逆台形状をなす。被嵌合部361aは磁極歯ユニット36の被嵌合部36aとなる部分である。突出部361cは断面矩形状をなす。複数の突出部361cは、磁極歯片361の長手方向に等ピッチで形成してある。突出部361cは磁極歯ユニット36の磁極歯31となる部分である。接続部361bは磁極歯片361の高さ方向で被嵌合部361aと突出部361cとの間に位置する部分である。接続部361bは複数の突出部361cを接続している。磁極歯片361は例えば、珪素鋼板で形成する。接続部361bは、バックヨーク3のベース部分の一部となる積層部分を構成する板状部材である。突出部361cは磁極歯31を構成する板状部材である。磁極歯片361は、2つの板状部材を一体としたものである。
The magnetic
磁極歯ユニット37は複数の磁極歯片371を積層してなる。磁極歯片371の積層方向は、磁極歯31の配列方向に交差する方向である。磁極歯片371は磁極歯片361とほぼ同様な構成である。以下では、磁極歯片371が磁極歯片361と異なる点を主として説明する。磁極歯片371は被嵌合部371a、接続部371b及び複数の突出部371cを含む。磁極歯片361の接続部361bは長手方向の一方の端部において、長手方向に飛び出ている。それに対して、磁極歯片371の接続部371bは長手方向の両端部において、長手方向に飛び出てはいない。磁極歯片371のその他の構成は、磁極歯片361と同様であるから説明を省略する。
The magnetic
図37はベース部35の構成例を示す斜視図である。図37に示すベース部35は図35に示すベース部35とは、上下を反転している。ベース部35は矩形板状をなす。ベース部35は断面が台形状の嵌合溝35aが形成してある。
FIG. 37 is a perspective view showing a configuration example of the
ベース部35の嵌合溝35aには磁極歯ユニット36の被嵌合部36a、または磁極歯ユニット37の被嵌合部37aが嵌合する。なおベース部35において、可動子2の可動方向の長さは、磁極歯ユニット36あるいは磁極歯ユニット37の可動方向の長さに合わせて設定すれば良い。ベース部35と磁極歯ユニット36または磁極歯ユニット37との固定は、次のように行う。嵌合溝35aと被嵌合部361aまたは被嵌合部371aの片方あるいは両方に接着剤を塗布した後に、嵌合し行う。それにより、ベース部35と磁極歯ユニット36または磁極歯ユニット37とは、固定される。以上の結果、バックヨークユニット301またはバックヨークユニット302が形成される。そして、リニアモータ1のストロークに応じて、バックヨークユニット301の個数を選択し、複数のバックヨークユニット301及び1つのバックヨークユニット302を結合することにより、図35に示すようにバックヨーク3が形成される。それぞれのバックヨークユニット301及び302は、公知の方法で結合、例えばバックヨークユニット301及び302の背面を矩形板状部材にて固定すればよい。
A fitted
第2変形例におけるリニアモータ1では、磁極歯ユニット36及び37は珪素鋼板(磁極歯片361及び371)を積層して構成してある。リニアモータ1は、磁極歯31に加えて、バックヨーク3の磁極歯31との接続部分から厚さ方向の一部を積層構造としてある。そのため、隣接する磁極歯31間を接続部361b及び371bに流れる磁束は磁極歯片361及び371の表面に平行な方向である。磁束の流れにより発生する渦電流の方向は磁極歯片361及び371の板面を貫こうとする方向となる。しかし、磁極歯片361及び371表面の隙間やその表面に形成される酸化皮膜などにより、接続部361b及び371bにおける渦電流方向の電気抵抗は、積層構造としない場合と比べて、大きくなっている。したがって、接続部361b及び371bに流れる渦電流を低減することが可能となる。よって、バックヨーク3に流れる渦電流を更に低減することが可能となる。
In the
また、第2変形例においては、基本例1が奏する前述した効果に加えて、次のような効果を奏する。バックヨーク3の一部であるベース部35を非磁性材料で形成することが可能であるから、ヤング率の高い材料、例えばアルミナで構成することが可能となる。それにより、バックヨーク3全体の剛性が増加するので、可動子2との間で生じる吸引力による撓みを軽減することが可能なる。更にまた、ベース部35の材質によりバックヨーク3全体の剛性が求められる剛性を上回っている場合には、バックヨーク3を薄くすることが可能となる。また、第2変形例においては、バックヨーク3に含めるバックヨークユニット301の個数を可変とすることにより、リニアモータ1のストロークを変えることが可能となる。
Moreover, in the second modification, in addition to the above-described effects of the basic example 1, the following effects are obtained. Since the
なお、バックヨークユニット301、302がそれぞれ備える磁極歯31は5本としたが、それに限らない。ベース部35は1つの磁極歯ユニット36または磁極歯ユニット37を備えるとしたが、それに限らない。磁極歯ユニット36及び磁極歯ユニット37はそれぞれ同じ個数の磁極歯31を備えるとしたが、それに限らない。
Although five
(実施の形態2の第3変形例)
第3変形例は第2変形例において、ベース部35を一枚板にした構成に関する。図38Aはバックヨーク3の他の構成例を示す側面図である。バックヨーク3はベース部33、複数の磁極歯ユニット36及び磁極歯ユニット37を含む。磁極歯ユニット36及び磁極歯ユニット37の構成は、上述の第2変形例と同様であるから、説明を省略する。(Third Modification of Second Embodiment)
The third modification relates to a configuration in which the
図38Bはベース部33の構成例を示す斜視図である。図38Bに示すベース部33は図38Aに示すベース部33とは上下を反転している。ベース部33は矩形状の板材に複数のアリ溝(嵌合溝)33aを形成してある。アリ溝33aの形状は、磁極歯ユニット36及び37の被嵌合部36a及び37aと対応した形状としてある。バックヨーク3は、ベース部33のアリ溝33aに、磁極歯ユニット36及び37の被嵌合部36a及び37aに嵌合後に、接着剤等で固定する。ベース部33は非磁性材料で形成する。
38B is a perspective view showing a configuration example of the
第3変形例においては、基本例1が奏する前述した効果に加えて、次のような効果を奏する。バックヨーク3の一部であるベース部33をヤング率の高い非磁性材料、例えば、アルミナで構成することが可能となる。それにより、バックヨーク3全体の剛性が増加するので、可動子2との間で生じる吸引力による撓みを軽減することが可能なる。
In the third modified example, in addition to the above-described effects of the basic example 1, the following effects are obtained. The
上述の基本例及び第1-第3変形例において、隣接する磁極歯31間の隙間を非磁性材料、例えば樹脂モールドなどにより埋めてもよい。それにより、バックヨーク3の強度が増し、可動子2との間で発生する吸引力に起因するバックヨーク3の撓みをより効果的に抑制可能となる。
In the basic example and the first to third modifications described above, the gaps between the adjacent
上述した基本例でのベース板32は、磁極歯31の根元部から磁極歯31の突出する方向とは逆方向(厚さ方向)の一部を積層構造としてもよい。言い換えると積層構造である磁極歯31(突出部31a、31a)が、一部を積層構造としたベース板32の積層構造部分おいて、凹部32a,32aと係合されていても良い。それにより、第1変形例及び第2変形例と同様に、可動子2の可動方向に流れる磁束による渦電流を抑制することが可能となる。
The
各実施の形態で記載されている技術的特徴(構成要件)はお互いに組み合わせ可能であり、組み合わせすることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものでは無いと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味では無く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The technical features (components) described in each embodiment can be combined with each other, and new technical features can be formed by combining them. The embodiments disclosed this time are illustrative in all respects and should be considered not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the meaning described above, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the scope of the claims.
1 リニアモータ
2 可動子
3 バックヨーク
4 電機子
21 永久磁石
22 保持枠
23 固定板
31 磁極歯
32 ベース板
33 ベース部
34 磁極歯ブロック
35 ベース部
36 磁極歯ユニット
37 磁極歯ユニット
41 コア
42 磁極歯
43 駆動コイル
221 孔
301 バックヨークユニット
302 バックヨークユニット
311 磁極片
341 磁極歯片
361 磁極歯片
371 磁極歯片1
Claims (5)
前記複数の永久磁石夫々の磁化方向は厚さ方向であって、隣り合う永久磁石同士の磁化方向は逆向きであり、
前記電機子は、夫々に駆動コイルが捲かれている複数の磁極歯を等ピッチで有しており、
前記バックヨークは、前記可動子に対向する面に、前記電機子の磁極歯と前記可動子の可動方向にあって同じ位置に、夫々に駆動コイルが捲かれていない複数の磁極歯を有しており、
前記バックヨークが有する前記磁極歯は、複数の板状部材を前記可動子の可動方向と交差する方向に積層してなることを特徴とするリニアモータ。 A mover having a magnet arrangement in which a plurality of rectangular permanent magnets are arranged, a back yoke as a stator disposed facing the mover with a gap therebetween, and the back yoke with a gap between the mover. has an armature as a stator arranged opposite to the opposite side,
The magnetization direction of each of the plurality of permanent magnets is the thickness direction, and the magnetization directions of adjacent permanent magnets are opposite to each other,
The armature has a plurality of magnetic pole teeth, each of which is wound with a drive coil, at an equal pitch,
The back yoke has a plurality of magnetic pole teeth, on the surface facing the mover, at the same position as the magnetic pole teeth of the armature in the moving direction of the mover, and having no drive coil wound thereon. and
A linear motor, wherein the magnetic pole teeth of the back yoke are formed by stacking a plurality of plate members in a direction intersecting the moving direction of the mover.
前記バックヨークの積層部分を構成する板状部材と、前記磁極歯を構成する板状部材とは、一体となっていることを特徴とする請求項1に記載のリニアモータ。 A part of the back yoke in a direction opposite to the direction in which the magnetic pole teeth protrude from the root of the magnetic pole teeth is formed by stacking a plurality of plate-like members in the stacking direction of the magnetic pole teeth,
2. The linear motor according to claim 1, wherein the plate member forming the laminated portion of the back yoke and the plate member forming the magnetic pole teeth are integrated.
5. The linear motor according to claim 4, wherein the mover has a plate-like base member to which the holding member and the plurality of permanent magnets are adhered and fixed.
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