JP7308504B2 - Cylindrical linear motor - Google Patents
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本発明は、駆動用磁石の発生磁界を利用して可動子の位置を検出しフィードバック制御を行う円筒型リニアモーターに関する。 The present invention relates to a cylindrical linear motor that detects the position of a mover using a magnetic field generated by a drive magnet and performs feedback control.
リニアモーターにおける可動子(移動体)の位置制御のためには位置検出手段としてリニアエンコーダー(リニアスケール)が多く用いられる(特許文献1)。しかし、リニアエンコーダーは、高価であること、付加して取り付けるため部品点数が増えることや、その手間がかかるなどの問題がある。 A linear encoder (linear scale) is often used as position detecting means for position control of a mover (moving body) in a linear motor (Patent Document 1). However, linear encoders have problems such as being expensive, increasing the number of parts due to additional installation, and taking time and effort.
そこで、リニアモーターにおける固定子側の駆動用磁石の発生磁界を利用してリニアエンコーダーの代わりとする、リニアモーター用の位置検出装置が提案されている(特許文献2)。このような位置検出装置は、一般に、リニアモーターの一次側に二次側磁石による磁界波形の1/4波長の間隔で設けられる2つの磁気センサと、これらの磁気センサが出力する検出信号を処理して得られる信号を用いて位置信号とする。通常、磁気センサはホール素子、磁気抵抗効果素子、差動トランス等が使われ、アナログ信号を出力する。このアナログ信号をデジタル信号に変換するのであるが、この段階で誤差が生じる。この誤差の主なものには、磁界波形の歪み、振幅の変動、オフセットの変動があり、いずれも位置検出精度に影響を与える。この内、振幅の変動は一次側と二次側の距離の変動に因るところが大きく機械、機構的に変動を小さくする工夫がなされる。オフセットの変動は温度変化に因るところが大きく、センサの物理特性の改善や信号処理回路の工夫によって改善が試みられている。磁界波形の歪みは二次側の磁石によって決定されるので、センサからの信号に対する処理では解決できない。後述するように、本願発明はこのような磁界波形の歪みを極力小さくすることで位置検出精度を向上させることを企図している。 Therefore, a position detection device for a linear motor has been proposed that uses the magnetic field generated by a driving magnet on the stator side of the linear motor to replace the linear encoder (Patent Document 2). Such a position detection device generally has two magnetic sensors provided on the primary side of the linear motor at an interval of 1/4 wavelength of the magnetic field waveform generated by the secondary magnet, and processes the detection signals output by these magnetic sensors. A position signal is obtained by using the signal obtained by A magnetic sensor normally uses a Hall element, a magnetoresistive effect element, a differential transformer, or the like, and outputs an analog signal. This analog signal is converted into a digital signal, but an error occurs at this stage. The main errors include magnetic field waveform distortion, amplitude variation, and offset variation, all of which affect the position detection accuracy. Of these variations, the variation in amplitude is largely due to the variation in the distance between the primary side and the secondary side, and mechanical and mechanical measures are taken to reduce the variation. Variations in offset are largely due to temperature changes, and attempts have been made to improve the physical characteristics of the sensor and devised signal processing circuits. Since the distortion of the magnetic field waveform is determined by the magnet on the secondary side, it cannot be solved by processing the signal from the sensor. As will be described later, the present invention intends to improve the position detection accuracy by minimizing such distortion of the magnetic field waveform.
ところで、上記のような磁気センサを用いる位置検出装置は、固定子側に一軸方向に並べて配置された複数の駆動用磁石で発生される磁界分布が正弦波であることを前提としている。しかしながら、実際の磁界分布は理想的な正弦波とは言えず、かなり歪んだ波形をしているので位置決め精度、分解能には制限が生じてしまう。このような制限は、特に円筒型リニアモーターの場合に顕著である。 By the way, the position detecting device using the magnetic sensor as described above assumes that the magnetic field distribution generated by a plurality of driving magnets arranged in a row on the stator side in a uniaxial direction is a sine wave. However, the actual magnetic field distribution cannot be said to be an ideal sine wave, and has a considerably distorted waveform, which limits the positioning accuracy and resolution. Such limitations are particularly pronounced in the case of cylindrical linear motors.
円筒型リニアモーターの一例として、筒状ケーシングの内壁に筒状ボビンを介して設けられた複数の固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の軸心に形成された長手中空孔内に直動自在に設けられた可動軸と、前記筒状ケーシングの両端に設けられ前記可動軸を直動自在に保持するための一対の第1、第2軸受と、前記可動軸の外周に設けられた複数のマグネットと、を備えた円筒型リニアモーターが提案されている(特許文献3)。 As an example of a cylindrical linear motor, a stator having a plurality of stator windings provided via a cylindrical bobbin on the inner wall of a cylindrical casing, and a longitudinal hollow hole formed in the axial center of the stator. a pair of first and second bearings provided at both ends of the cylindrical casing for holding the movable shaft in a linear motion; A cylindrical linear motor has been proposed (Patent Document 3).
更に、本発明者により、磁気漏洩の低減、推力向上に有効なハルバッハ配列磁石体を固定子として備える円筒型リニアモーターが提案されている。 Furthermore, the present inventor has proposed a cylindrical linear motor having a Halbach array magnet as a stator, which is effective in reducing magnetic leakage and improving thrust.
この円筒型リニアモーターは、長さ方向に異方性を持つ第1の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第2の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第2の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第3の円筒状永久磁石を組み合わせてなるハルバッハ配列磁石体を少なくとも1組備える。そして、前記第1~第3の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に構成した断面円形の固定子と、前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わせ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した可動子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成している。 In this cylindrical linear motor, a second cylindrical permanent magnet having anisotropy in the radial direction is combined with one end of a first cylindrical permanent magnet having anisotropy in the length direction, and a has anisotropy in the radial direction and at least one pair of Halbach array magnets combined with a third cylindrical permanent magnet having a magnetic pole direction opposite to the magnetic pole direction of the second cylindrical permanent magnet Prepare. A stator having a circular cross section integrally constructed by inserting a shaft body into a hole at the center of each of the first to third cylindrical permanent magnets; and a mover in which a plurality of toroidal coils concentric with the casing are arranged along the cylindrical casing to act as a cylindrical linear motor. .
本発明の課題は、ハルバッハ配列磁石体を備える円筒型リニアモーターであって、ハルバッハ配列磁石体において正弦波に限りなく近い磁束分布を持つ磁界を生成することのできる円筒型リニアモーターを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a cylindrical linear motor having a Halbach array magnet, which can generate a magnetic field having a magnetic flux distribution extremely close to a sine wave in the Halbach array magnet. It is in.
本発明の態様によれば、円筒型リニアモーターであって、該円筒型リニアモーターの駆動用磁石による磁界波形の1/4波長の間隔で設けられる2つの磁気センサを有し、該2つの磁気センサが出力する検出信号を処理して得られる信号を用いて位置信号とするような位置検出装置により、前記駆動用磁石の発生磁界を利用して可動子の位置を検出しフィードバック制御を行う、前記駆動用磁石としてハルバッハ配列磁石体を備える円筒型リニアモーターにおいて、前記ハルバッハ配列磁石体は、長さ方向に異方性を持つ第1の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第2の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第2の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第3の円筒状永久磁石を組み合わせてなる配列磁石体を少なくとも1組備え、前記第2の円筒状永久磁石と前記第3の円筒状永久磁石は同じ長さaを有し、前記第1の円筒状永久磁石の長さbと前記長さaとの関係を、0.7b≦a≦0.8bとしたことを特徴とする円筒型リニアモーターが提供される。 According to an aspect of the present invention, the cylindrical linear motor has two magnetic sensors provided at an interval of 1/4 wavelength of the magnetic field waveform generated by the driving magnet of the cylindrical linear motor, and the two magnetic A position detection device that uses a signal obtained by processing a detection signal output from a sensor to obtain a position signal, detects the position of the mover using the magnetic field generated by the driving magnet, and performs feedback control. In a cylindrical linear motor including a Halbach array magnet as the driving magnet, the Halbach array magnet has anisotropy in the radial direction on one end side of a first cylindrical permanent magnet having anisotropy in the length direction. A second cylindrical permanent magnet having anisotropy in the radial direction and a magnetic pole direction opposite to the magnetic pole direction of the second cylindrical permanent magnet is combined on the other end side. at least one set of arrayed magnet bodies formed by combining the cylindrical permanent magnets of the second cylindrical permanent magnet and the third cylindrical permanent magnet having the same length a, and the first cylindrical permanent magnet A cylindrical linear motor is provided, wherein the relationship between the length b of the permanent magnet and the length a is 0.7b≤a≤0.8b.
上記態様による円筒型リニアモーターは、前記配列磁石体は、前記第1の円筒状永久磁石のN極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第2の円筒状永久磁石を組み合わせ、前記第1の円筒状永久磁石のS極側に、中心軸側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第3の円筒状永久磁石を組み合わせてなり、前記ハルバッハ配列磁石体として、前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う2組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第1の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第1の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第3の円筒状永久磁石又は第2の円筒状永久磁石を交互に共用する構成としても良い。 In the cylindrical linear motor according to the aspect described above, the arranged magnet body includes the second cylindrical permanent magnet having a magnetic pole direction in the radial direction toward the outer peripheral side on the north pole side of the first cylindrical permanent magnet. In combination, the third cylindrical permanent magnet having a magnetic pole direction in the radial direction toward the central axis is combined with the S pole side of the first cylindrical permanent magnet, and the Halbach array magnet body is composed of the An arrayed magnet assembly in which a plurality of sets of arrayed magnet bodies are combined in series, one set of two adjacent arrayed magnet bodies in the arrayed magnet assembly is the magnetic pole of the first cylindrical permanent magnet. The third cylindrical permanent magnet or the third cylindrical permanent magnet is combined with the other set so that the direction of the magnetic poles of the first cylindrical permanent magnets of the arranged magnet bodies of the other set is opposite to the direction of the magnetic poles of the first cylindrical permanent magnets. It is also possible to alternately share two cylindrical permanent magnets.
上記態様による円筒型リニアモーターは、前記配列磁石集合体における前記第1~第3の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に構成した断面円形の固定子と、前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した前記可動子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成しても良い。この場合、前記位置検出装置は、前記可動子側に取り付けられて前記配列磁石集合体からの磁界を検出し、互いに90度の位相差を持つ前記検出信号を出力する前記2つの磁気センサを含むことが望ましい。 The cylindrical linear motor according to the above aspect has a circular cross-sectional fixed magnet integrally formed by inserting a shaft body into a hole at the center of each of the first to third cylindrical permanent magnets in the arrayed magnet assembly. and the mover, which is combined with the outer periphery of the stator so as to be able to move linearly along the stator, and has a plurality of toroidal coils concentric with the casing arranged along the casing in a cylindrical casing. , and may be configured to act as a cylindrical linear motor. In this case, the position detection device includes the two magnetic sensors mounted on the side of the mover to detect the magnetic field from the arrayed magnet assembly and output the detection signals having a phase difference of 90 degrees with each other. It is desirable to
上記態様による円筒型リニアモーターは、前記配列磁石集合体における前記第1~第3の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に中心軸方向に可動とした断面円形の前記可動子と、前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成しても良い。この場合、前記位置検出装置は、前記固定子側に取り付けられて前記配列磁石集合体からの磁界を検出し、互いに90度の位相差を持つ前記検出信号を出力する前記2つの磁気センサを含むことが望ましい。 In the cylindrical linear motor according to the above aspect, the first to third cylindrical permanent magnets in the arrayed magnet assembly are integrally movable in the direction of the central axis by inserting the shafts into the respective center holes of the first to third cylindrical permanent magnets. a stator having a circular cross section and a stator combined with the outer periphery of the mover along the central axis direction, and a plurality of annular coils concentric with the casing arranged along the casing in a cylindrical casing. , it may be configured to act as a cylindrical linear motor. In this case, the position detection device includes the two magnetic sensors attached to the stator side to detect the magnetic field from the arrayed magnet assembly and output the detection signals having a phase difference of 90 degrees with each other. It is desirable to
上記態様による円筒型リニアモーターは三相駆動型であり、前記複数の環状コイルがU相コイル、V相コイル、W相コイルの組み合わせを1組とする少なくとも1組からなることを特徴とする。 The cylindrical linear motor according to the above aspect is of a three-phase drive type, and is characterized in that the plurality of toroidal coils comprises at least one set of a combination of a U-phase coil, a V-phase coil, and a W-phase coil.
本発明によれば、大きな磁界を発生させることのできるハルバッハ配列磁石体を備える円筒型リニアモーターであって、ハルバッハ配列磁石体において正弦波に限りなく近い磁束分布を持つ磁界を生成することのできる円筒型リニアモーターを提供することができる。これにより、可動子の位置制御に必須の位置検出装置として、リニアエンコーダーのような高価な装置が不要になり、かつ、位置検出装置を取り付けるための部品や、作業も簡略化することができる。その結果として、装置の耐久性、メンテナンス性が向上する。 According to the present invention, there is provided a cylindrical linear motor having a Halbach array magnet that can generate a large magnetic field, and the Halbach array magnet can generate a magnetic field having a magnetic flux distribution that is extremely close to a sine wave. Cylindrical linear motors can be provided. This eliminates the need for an expensive device such as a linear encoder as a position detection device essential for position control of the mover, and also simplifies the parts and work for mounting the position detection device. As a result, the durability and maintainability of the device are improved.
本発明の実施形態を説明する前に、図1を参照して、本発明に係る円筒型リニアモーターに使用される永久磁石(以下、磁石と略称する)の態様を説明する。図1(b)に示すように、第1の円筒状磁石10はその長さ方向(中心軸方向)に異方性を有する。一方、図1(a)に示すように、第2、第3の円筒状磁石12、13はその半径方向に異方性を有する。
Before describing embodiments of the present invention, aspects of permanent magnets (hereinafter abbreviated as magnets) used in a cylindrical linear motor according to the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1B, the first
磁化方向について言えば、第1の円筒状磁石10は、図1(e)に矢印で示すように、図の左方向向きに磁極の向きを持つように配置される場合と、図1(f)に矢印で示すように、図の右方向向きに磁極の向きを持つように配置される場合がある。
As for the magnetization direction, the first
一方、図1(c)に矢印で示すように、第2の円筒状磁石12はその断面の、中心から外周側に向かう放射方向に磁極の向きを有し、図1(d)に矢印で示すように、第3の円筒状磁石13はその断面の、外周側から中心に向かう方向に磁極の向きを有する。また、電流の向きを表示する方法に倣って、第2、第3の円筒状磁石12、13についてはそれぞれ、磁極の向きを図1(c)、図1(d)の右側に示したような記号で表記するものとする。
On the other hand, as indicated by arrows in FIG. 1(c), the second
次に、図2を参照して、本発明に使用されるハルバッハ配列磁石集合体(以下、配列磁石集合体と略称することがある)の最小限の構成要素であるハルバッハ配列磁石体(以下、配列磁石体と略称することがある)の例について説明する。図2に示される矢印も磁極の向きを示す。 Next, referring to FIG. 2, a Halbach array magnet body (hereinafter, referred to as a (sometimes abbreviated as an arrayed magnet body) will be described. The arrows shown in FIG. 2 also indicate the orientation of the magnetic poles.
図2(a)は、配列磁石体を中心軸側に配置し、その外側に環状コイルを配置する円筒型リニアモーターの場合の最小単位の配列磁石体の例である。この例によれば、長さ方向に異方性を持つ第1の円筒状磁石10と、該円筒状磁石10のN極側(矢印の先端側)の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の外周を向くように磁化した第2の円筒状磁石12と、第1の円筒状磁石10のS極側(矢印の終端側)の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の中心方向を向くように磁化した第3の円筒状磁石13と、を有する配列磁石体が提供される。
FIG. 2(a) is an example of the smallest unit of arrayed magnets in a cylindrical linear motor in which the arrayed magnets are arranged on the central axis side and the annular coils are arranged on the outer side thereof. According to this example, the first
本例の配列磁石体は、第2の円筒状磁石12の外周を出て第3の円筒状磁石13の外周に入り、第3の円筒状磁石13から第1の円筒状磁石10に入る外周側の磁束密度が、内周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有している。
The arranged magnet body of this example exits the outer periphery of the second
図2(b)は、図2(a)に示されている配列磁石体を、左右逆にして示しており、図2(a)と同じ例として考えて良い。図2(b)を示した理由は、後述の図3の説明で明らかになる。 FIG. 2(b) shows the arrayed magnet bodies shown in FIG. 2(a) left-right reversed, and can be considered as the same example as FIG. 2(a). The reason why FIG. 2(b) is shown will become clear from the description of FIG. 3 below.
図3は、図2で説明した最小単位の配列磁石体を複数組(ここでは4組)、直列に組み合わせて配列磁石集合体を構成した例を示す。この配列磁石集合体においては、隣り合う2組(例えば1組目と2組目)の配列磁石体の一方の組(1組目)は、第1の円筒状磁石10の磁極の向きが、他方の組(2組目)の配列磁石体の第1の円筒状磁石10の磁極の向きと反対になるように他方の組(2組目)に組み合わせるようにして、第3の円筒状磁石13を共用できる構成としている。同様にして、2組目と3組目では第2の円筒状磁石12を共用でき、3組目と4組目で第3の円筒状磁石13を共用できる。つまり、隣り合う2組の配列磁石体において第3の円筒状磁石13又は第2の円筒状磁石12を交互に共用する構成としている。
FIG. 3 shows an example in which a plurality of sets (here, four sets) of minimum unit arrayed magnet bodies described in FIG. 2 are combined in series to constitute an arrayed magnet assembly. In this arrayed magnet assembly, one set (first set) of two adjacent arrayed magnet bodies (for example, the first set and the second set) has the magnetic pole direction of the first
この配列磁石集合体は、後で図8を参照して説明するように、中心軸側に固定配置してコイル可動型の円筒型リニアモーターを構成するのに適している。この配列磁石集合体はまた、後で図11、図12を参照して説明するように、中心軸側に軸方向に直動可能に配置して磁石可動型の円筒型リニアモーターを構成するのにも適している。これは、図2に示す配列磁石体においては、円筒状磁石10、12、13の外周側の磁束密度が内周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有しているからである。
As will be described later with reference to FIG. 8, this arrayed magnet assembly is suitable for constructing a cylindrical linear motor with movable coils by being fixedly arranged on the central axis side. Also, as will be described later with reference to FIGS. 11 and 12, this arrayed magnet assembly is arranged on the central axis side so as to be linearly movable in the axial direction to constitute a magnet-movable cylindrical linear motor. Also suitable for This is because the magnetic array shown in FIG. 2 has a feature that the magnetic flux density on the outer peripheral side of the
図3のような配列磁石集合体は、すべての円筒状磁石の中心部の穴に、両端にネジ部を持つステンレス製のシャフトを通し、両端をナットで固定して使用することができるが、これは一例にすぎず、これに限定されるものでないことは言うまでも無い。 The arrayed magnet assembly as shown in Fig. 3 can be used by inserting stainless steel shafts with screw portions at both ends through the holes in the center of all the cylindrical magnets and fixing both ends with nuts. Needless to say, this is only an example and the present invention is not limited to this.
ところで、ブロック状の磁石を直線状のハルバッハ配列としてリニアモーターの固定子を構成する場合、図4に示すように、45度方向に異方性を持つ磁石(45度方向異方性磁石)を使用することで、磁界の磁束分布を正弦波に近づけることができる。 By the way, when the stator of a linear motor is constructed by using block-shaped magnets in a linear Halbach array, as shown in FIG. By using it, the magnetic flux distribution of the magnetic field can be approximated to a sine wave.
一方、円筒型リニアモーター用に配列磁石体を組むときに、半径方向異方性円筒状磁石と軸方向異方性円筒状磁石は比較的容易に製造できるが、中間の45度方向異方性円筒状磁石は製造が困難である。この45度方向異方性円筒状磁石を挿入した配列磁石体であれば、その発生する磁界は限りなく正弦波に近く、高調波成分は測定が難しい程のレベルである。しかし、45度方向異方性円筒状磁石を挿入しないと、若干の高調波成分が発生し、正弦波にひずみが生じる。こうなると、配列磁石体からの磁界分布を利用した磁気センサを用いる位置検出装置の検出精度が低下し、分解能を上げることが難しくなる。 On the other hand, when assembling arrayed magnets for a cylindrical linear motor, radially anisotropic cylindrical magnets and axially anisotropic cylindrical magnets can be manufactured relatively easily, Cylindrical magnets are difficult to manufacture. In the case of an arrayed magnet body in which this 45-degree directional anisotropic cylindrical magnet is inserted, the generated magnetic field is infinitely close to a sine wave, and the harmonic component is at a level that is difficult to measure. However, without inserting a 45 degree directional anisotropic cylindrical magnet, some harmonic components are generated and the sine wave is distorted. If this happens, the detection accuracy of the position detection device using a magnetic sensor that utilizes the magnetic field distribution from the arrayed magnets will be lowered, making it difficult to increase the resolution.
このような問題点に対し、本発明者は、様々な試行、計測を行って検討を繰り返した結果、半径方向異方性円筒状磁石の長さと軸方向異方性円筒状磁石の長さの比を選ぶことで、発生磁界の磁束分布を正弦波に近づけることができるという知見に到達した。 With respect to such problems, the present inventor conducted various trials and measurements and repeated studies. We have reached the knowledge that by selecting the ratio, the magnetic flux distribution of the generated magnetic field can be approximated to a sine wave.
具体的には、図3で説明した左側から順に第2の円筒状磁石12-第1の円筒状磁石10-第3の円筒状磁石13-第1の円筒状磁石10-第2の円筒状磁石12の組み合わせによる配列磁石体(以下では、計測用配列磁石体と呼ぶ)を用い、第1の円筒状磁石10の軸方向長さb、第2、第3の円筒状磁石12、13の軸方向長さaとして、長さa、bを様々な組み合わせで変化させて磁束密度を計測した結果、以下のような計測値が得られた。
Specifically, from the left side explained in FIG. Using an arrayed magnet body (hereinafter referred to as an arrayed magnet body for measurement) composed of a combination of
(第1の例:a=bの場合)
外径23.8mm、内径10.0mm、長さ11.0mmの半径方向異方性円筒状磁石と、外径23.8mm、内径10.0mm、長さ11.0mmの軸方向異方性円筒状磁石を図3で説明した計測用配列磁石体のように構成して、ガウスメーターで磁石体表面の磁束密度を測定した。結果を図5に示す。ひずみ率は2%である。正弦波を破線で示し、測定結果を実線で示しているが、ほとんど重なりあっている。
(First example: when a=b)
A radially anisotropic cylindrical magnet with an outer diameter of 23.8 mm, an inner diameter of 10.0 mm, and a length of 11.0 mm, and an axially anisotropic cylinder with an outer diameter of 23.8 mm, an inner diameter of 10.0 mm, and a length of 11.0 mm. The magnetic flux density on the surface of the magnetic body was measured with a gauss meter by constructing the shaped magnet like the arrayed magnet body for measurement explained in FIG. The results are shown in FIG. The strain rate is 2%. The sine wave is shown by the dashed line and the measurement results by the solid line, which almost overlap.
(第2の例:a=0.68bの場合)
外径23.8mm、内径10.0mm、長さ11.0mmの半径方向異方性円筒状磁石と、外径23.8mm、内径10.0mm、長さ16.0mmの軸方向異方性円筒状磁石を図3で説明した計測用配列磁石体のように構成して、ガウスメーターで磁石体表面の磁束密度を測定した。結果を図6に示す。ひずみ率は0.6%である。本例でも正弦波を破線で示し、測定結果を実線で示しているが、ほとんど重なりあっている。
(Second example: when a=0.68b)
A radially anisotropic cylindrical magnet with an outer diameter of 23.8 mm, an inner diameter of 10.0 mm, and a length of 11.0 mm, and an axially anisotropic cylinder with an outer diameter of 23.8 mm, an inner diameter of 10.0 mm, and a length of 16.0 mm. The magnetic flux density on the surface of the magnetic body was measured with a gauss meter by constructing the shaped magnet like the arrayed magnet body for measurement explained in FIG. The results are shown in FIG. The strain rate is 0.6%. In this example as well, the sine wave is indicated by a dashed line and the measurement results are indicated by a solid line, but they almost overlap each other.
(第3の例:a=0.5bの場合)
外径23.8mm、内径10.0mm、長さ11.0mmの半径方向異方性円筒状磁石と、外径23.8mm、内径10.0mm、長さ22.0mmの軸方向異方性円筒状磁石を図3で説明した計測用配列磁石体のように構成して、ガウスメーターで表面の磁束密度を測定した。結果を図7に示す。ひずみ率は4.2%である。本例でも正弦波を破線で示し、測定結果を実線で示しているが、ほとんど重なりあっている。
(Third example: when a=0.5b)
A radially anisotropic cylindrical magnet with an outer diameter of 23.8 mm, an inner diameter of 10.0 mm, and a length of 11.0 mm, and an axially anisotropic cylinder with an outer diameter of 23.8 mm, an inner diameter of 10.0 mm, and a length of 22.0 mm. The magnetic flux density on the surface was measured with a gauss meter by arranging the shaped magnet like the arrayed magnet body for measurement described in FIG. The results are shown in FIG. The strain rate is 4.2%. In this example as well, the sine wave is indicated by a dashed line and the measurement results are indicated by a solid line, but they almost overlap each other.
以上の計測結果から、第1の円筒状磁石10の長さbと第2、第3の円筒状磁石12、13の長さaとの関係は0.5b≦a≦bが望ましく、0.7b≦a≦0.8bがより好ましいという知見が得られた。一方、歪み率の観点から言えば、5%以内が望ましく、2%以内がより好ましい。
From the above measurement results, the relationship between the length b of the first
次に、図8を参照して、本発明によるコイル可動型の円筒型リニアモーターの実施形態について説明する。 Next, with reference to FIG. 8, an embodiment of a coil-movable cylindrical linear motor according to the present invention will be described.
図8は、図3に示すような配列磁石集合体を用いた円筒型リニアモーターの断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view of a cylindrical linear motor using an arrayed magnet assembly as shown in FIG.
本実施形態においては、配列磁石集合体側を固定子とし、環状コイル側を可動子とするが、図11、図12で説明するように、配列磁石集合体側を可動子とし、環状コイル側を固定子とすることも可能である。 In this embodiment, the arranged magnet assembly side is the stator and the annular coil side is the mover, but as will be described with reference to FIGS. It is also possible to have children.
本実施形態において使用する円筒状磁石として、外径23.5mm、内径6mm、長さ22.5mmの長さ方向(軸方向)に異方性を持つ円筒状Nd-Fe-B磁石(第1の円筒状磁石10)と、外径23.5mm、内径6mm、長さ11.25mmの半径方向に異方性を持つ円筒状Nd-Fe-B磁石(第2、第3の円筒状磁石12、13)とが挙げられるが、一例にすぎず、本発明はこれらの数値に限定されないことは言うまでもない。また、磁石もNd-Fe-B磁石の他、Sm-Co磁石、フェライト磁石やその他の永久磁石であってもよい。
As the cylindrical magnet used in this embodiment, a cylindrical Nd-Fe-B magnet (first cylindrical magnet 10) and a radially anisotropic cylindrical Nd-Fe-B magnet (the second and third
図8は、三相リニアモータ(円筒型リニアモータ)における固定子と可動子の断面図、特に固定子の中心軸に沿った縦断面図である。以下では、中心軸という場合、特にことわりがない場合、固定子の中心軸を意味する。また、固定子は断面円形、可動子は断面環状形が望ましいが、この限りではなく、固定子と可動子の断面形状が相互の移動を妨げないように適合していれば良い。 FIG. 8 is a cross-sectional view of a stator and mover in a three-phase linear motor (cylindrical linear motor), particularly a vertical cross-sectional view along the central axis of the stator. Hereinafter, the term "center axis" means the center axis of the stator unless otherwise specified. It is desirable that the stator has a circular cross-section and the mover has a ring-shaped cross-section, but this is not the only option, as long as the cross-sectional shapes of the stator and the mover are compatible so as not to hinder mutual movement.
固定子30は、図2で説明した配列磁石体を複数組、ここでは5組を直列に繋ぎ合わせてなる。すなわち、図3で説明したように、隣り合う2組の配列磁石体の一方の組は、第1の円筒状磁石10の磁極の向きが、他方の組の配列磁石体の第1の円筒状磁石10の磁極の向きと反対になるように他方の組に組み合わせるようにして、第3の円筒状磁石13又は第2の円筒状磁石を交互に共用する構成としている。すなわち、1組目と2組目で第3の円筒状磁石13を共用し、2組目と3組目では第2の円筒状磁石12を共用し、3組目と4組目で第3の円筒状磁石13を共用し、4組目と5組目では第2の円筒状磁石12を共用する構成としている。
The
配列磁石体の組数は、可動子のストロークにより決められる。 The number of sets of arrayed magnet bodies is determined by the stroke of the mover.
このような配列磁石体を複数組、直列に繋ぎ合わせて配列磁石集合体を構成する手法の一例を説明すると以下の通りである。 An example of a method of constructing an arrayed magnet assembly by connecting a plurality of sets of such arrayed magnet bodies in series is as follows.
少なくとも両端に近い部分にそれぞれ雄ネジを切った丸棒状のセンター軸40の一端側にナット41Aを装着する。続いて、5組の配列磁石体からなる配列磁石集合体を構成すべく、第1~第3の円筒状磁石を、12-10-13-10-12-10-13-10-12-10-13の順にセンター軸40に装着してゆく。なお、センター軸40の全長に亘って雄ネジを形成しても良い。
A
配列磁石体5組分の円筒状磁石を装着したら、センター軸40の他端側の雄ネジにナット41Bを装着し、円筒状磁石相互の締め付けを行なう。ナットによる締め付けは、後で緩みが生じないように、ダブルナットで行なわれるのが望ましい。
After mounting the cylindrical magnets for the five sets of arrayed magnet bodies, a
次に、上記のように一体化した配列磁石集合体を円筒状のケーシング50内に挿着する。ケーシング50は、配列磁石集合体の外周に密着するような内径で薄い肉厚の方が望ましい。
Next, the arrayed magnet assembly integrated as described above is inserted into the
ケーシング50の両端は蓋部材42A、42Bで塞ぐようにし、ケーシング50内の気密を維持する必要がある場合には、ケーシング50と蓋部材42A、42Bの間に、O(オー)リング等のシール材を設けるか、あるいはロウ付け等の方法により密閉するのが好ましい。
Both ends of the
センター軸40、ケーシング50は、ステンレス、アルミ、真鍮等の非磁性材料で提供される。また、通常、固定子30は、その両端側において土台等に固定される。
The
以上のように構成された固定子30の外周側に、6個の環状(円筒状を含む)コイル80-1U、80-1V’、80-1W、80-2U’、80-2V、80-2W’をコイルケーシング90に装着してなる円筒状の可動子100が、固定子30に沿って直動可能に組み合わされる。なお、U’、V’、W’は、巻線の方向が逆向きであることを示す。6個の環状コイルはそれぞれボビンに巻線を巻回してなり、巻線はスターあるいはデルタ結線されて、図示しない三相電源に接続されるとともに図示しない制御装置に接続される。
Six annular (including cylindrical) coils 80-1U, 80-1V', 80-1W, 80-2U', 80-2V, 80- A
ここで、リニアモーターにおける永久磁石とコイルの関係について図9、図10を参照して簡単に説明する。 Here, the relationship between the permanent magnets and the coils in the linear motor will be briefly described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG.
通常、磁石を用いる三相リニアモーターに適用される磁石の磁極とU相コイル、V相コイル、W相コイルの関係は図9のようになる。つまり、磁極N-N間に対してU相コイル、V相コイル、W相コイルが対応し、磁極N-N間の長さ=(U相コイル長+V相コイル長+W相コイル長)となる。また、各相のコイル長=(磁極N-N間の長さ)/3となる。 Generally, the relationship between the magnetic poles of magnets applied to a three-phase linear motor using magnets and the U-phase coil, V-phase coil, and W-phase coil is as shown in FIG. That is, the U-phase coil, the V-phase coil, and the W-phase coil correspond to the magnetic poles NN, and the length between the magnetic poles NN = (U-phase coil length + V-phase coil length + W-phase coil length). . Also, the coil length of each phase=(length between magnetic poles NN)/3.
磁極N-N間の長さが長いときは図10のようにすることもできる。図10に示されるように、磁極N-N間にU、V、Wの各相当たり2個、合計6個のコイルが入る。コイルの配置は、U相-V’相-W相-U’相-V相-W’相が基本構成となり、コイルの数が3個(6個、9個、12個、・・・)を越える場合、この基本構成が繰り返される。前述したように、V’相、U’相、W’相は巻線の方向が逆にされる。各相のコイル長=(磁極N-N間の長さ)/6となる。 When the length between the magnetic poles NN is long, it can be arranged as shown in FIG. As shown in FIG. 10, there are six coils in total, two for each of the U, V, and W phases between the magnetic poles NN. The basic arrangement of the coils is U-phase-V'-phase-W-phase-U'-phase-V-phase-W'-phase, and the number of coils is 3 (6, 9, 12, . . . ). is exceeded, this basic configuration is repeated. As described above, the V', U', and W' phases have their winding directions reversed. Coil length of each phase=(length between magnetic poles NN)/6.
図10には、このような磁極N-N、三相を構成する6個のコイルと、図2で説明した配列磁石体を2組組み合わせた配列磁石集合体との関係を示している。 FIG. 10 shows the relationship between such magnetic poles NN, six coils forming three phases, and an arrayed magnet assembly obtained by combining two sets of the arrayed magnet bodies described with reference to FIG.
図8の円筒型リニアモーターでは、6個の環状コイルを示しているが、上述したように、三相の円筒型リニアモーターの構成に必要な環状コイルの最小限の個数は3個である。つまり、可動子側のコイルは、U相、V相、W相の三相1組を単位とし、必要推力に応じて複数組設置される。6個の環状コイルの合計長は、一例を挙げれば、(第2又は第3の円筒状磁石の長さ×2+第1の円筒状磁石の長さ×2)である。また、円筒型リニアモーターとしての可動距離範囲は、図3の場合、(配列磁石集合体の全長-6個の環状コイルの合計長)となる。 Although the cylindrical linear motor of FIG. 8 shows six toroidal coils, as mentioned above, the minimum number of toroidal coils required to construct a three-phase cylindrical linear motor is three. In other words, the coils on the mover side are set in units of three-phase sets of U-phase, V-phase, and W-phase, and a plurality of sets are installed according to the required thrust. For example, the total length of the six toroid coils is (the length of the second or third cylindrical magnet x 2 + the length of the first cylindrical magnet x 2). 3, the movable distance range of the cylindrical linear motor is (total length of the arrayed magnet assembly−total length of the six annular coils).
可動子100は、ケーシング50の周囲に軸受等を介して直動可能に組み合わされるが、ケーシング50に沿うように配置されたガイド棒を介して直動可能に支持されても良い。しかし、これらに限定されるものではない。更に、可動子100は三相電源と接続するための可撓性の電力ケーブルを備えるが、コイルと三相電源との接続形態は、巻線のスターあるいはデルタ結線形態を含め、本発明の要旨ではないので、詳しい説明は省略する。これは、後述する図11、図12の例においても同様である。
The
可動子100には、ケーシング50の表面に近接しつつその移動方向に平行に延びるように位置検出装置200が設置されている。位置検出装置200とケーシング50の間隔は狭いほど良いわけではなく、1mm以上、好ましくは5mm以上離した方が良い。後述する図12の例のような配置ではケーシング50から20mm程度離れるが問題はない。位置検出装置200は可動子100と共に移動し、配列磁石集合体(ケーシング50)表面の磁束密度を検出するための第1、第2の磁気センサS1、S2を有する。磁気センサとしてはホール素子、磁気抵抗効果素子(MR素子)及び差動トランスコイルセンサ等が使われる。第1の磁気センサS1は、配列磁石集合体(ケーシング50)表面に生成される正弦波形の磁界の磁束密度を検出して第1の検出信号を出力する。第2の磁気センサS2は、配列磁石集合体(ケーシング50)表面に生成される正弦波形の磁界の磁束密度を検出し、第1の検出信号に対して90度の位相差を持つ第2の検出信号を出力する。このために、第1の磁気センサS1と第2の磁気センサS2の移動方向における間隔は磁極ピッチ(N極-N極間)の1/4に設定される。このような位置検出装置200は、周囲温度変化やギャップ変化等の影響を受けにくい長所を持つ。
A
位置検出装置200からの第1、第2の検出信号を用いて、図示しない制御装置により実行される可動子100の位置制御を含む制御形態は良く知られている(例えば特許文献2)ので詳しい説明は省略する。
A control form including position control of the
また、円筒型リニアモーターとしての動作原理もこれまでの円筒型リニアモーターと同様であるので、詳しい説明は省略する。 Further, since the operation principle of the cylindrical linear motor is the same as that of the conventional cylindrical linear motor, detailed explanation is omitted.
コイルケーシング90は、その内径がケーシング50の外径より大きく、配列磁石集合体(ケーシング50)の外周と環状コイルの内周、厳密にはコイルケーシング90の内周との間には微小ギャップが形成される。
The inner diameter of the
なお、ケーシング50の内周と配列磁石集合体の外周との間にギャップを設けると共に、蓋部材42A、42Bにそれぞれ、等角度間隔をおいて中心軸方向に貫通する複数の孔を設け、一方の側の孔から圧縮空気等の冷媒を導入し、他方の側の孔から冷媒を排出することにより、固定子30側の冷却を行うことができる。
A gap is provided between the inner circumference of the
以上のような構成により、三相の環状コイル80-1U、80-1V’、80-1W、80-2U’、80-2V、80-2W’に流す電流を制御して位置制御や速度制御を行うことで円筒型リニアモーターとして動作させることができる。 With the configuration as described above, position control and speed control are performed by controlling the current flowing through the three-phase annular coils 80-1U, 80-1V', 80-1W, 80-2U', 80-2V, and 80-2W'. By doing, it can be operated as a cylindrical linear motor.
以上のような構成による円筒型リニアモーターは、図2、図3で説明した円筒状のハルバッハ配列磁石体を用いたことにより、生成される磁束の大部分が円筒状のハルバッハ配列磁石体の外周側、すなわち環状コイルに作用するので、磁気漏洩の低減、エネルギー効率の向上を実現することができ、環状コイルに作用する磁束密度が大幅に増加する結果、ハルバッハ配列磁石体を使用しない円筒型リニアモーターに比べて約1.2~1.5倍の推力が得られる。 The cylindrical linear motor having the above configuration uses the cylindrical Halbach array magnet described in FIGS. 2 and 3, so that most of the magnetic flux generated is Since it acts on the side, that is, the toroidal coil, it is possible to reduce magnetic leakage and improve energy efficiency. About 1.2 to 1.5 times more thrust can be obtained than with a motor.
図11を参照して、磁石可動型の円筒型リニアモーターの全体構成例について説明する。 With reference to FIG. 11, an example of the overall configuration of a magnet movable cylindrical linear motor will be described.
この円筒型リニアモーターは、図8で説明した複数の環状コイルを固定子300とし、環状コイルの空間内に配置されている配列磁石集合体を可動子400として構成している。 This cylindrical linear motor has a plurality of toroidal coils described in FIG.
具体的には、図8で説明したケーシング50の断面円形空間の内壁に、配列磁石集合体を長さ方向(中心軸方向)に沿って配置したものを可動子400とするために、固定子300における複数の環状コイルの内側空間(図8のコイルケーシング90の内側空間)に中心軸に沿って直動自在にケーシング50を配置すると共に、ケーシング50の両端に脚部410を固着し、これらの脚部410を介しての可動子400の直動をテーブル500上に固定したリニアガイド510でガイドするように構成している。
Specifically, in order to form the
本例では、位置検出装置200は、ケーシング50の表面に近接しつつ可動子400の移動方向に平行に延びるように固定子300側に設置され、移動する配列磁石集合体(ケーシング50)表面に生成される正弦波形の磁界の磁束密度を検出するように構成されている。
In this example, the
図12は、位置検出装置の別の設置例を示した図である。この例では、位置検出装置200’を固定子300本体に設置している。そのため、位置検出装置200’は配列磁石集合体(ケーシング50)表面から離れることになるが、検出精度に支障は生じないことが確認されている。勿論、位置検出装置200’は位置検出装置200とまったく同じ構成である。この場合は、位置検出装置を含めた固定子の移動方向における長さが図8の場合に比較して短くなるために、配列磁石集合体の全長に対して有効な長さが長くなる。
FIG. 12 is a diagram showing another installation example of the position detection device. In this example, the position detection device 200' is installed on the
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態、図示された構成に限定されないことは言うまでも無い。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments and illustrated configurations.
本発明は、ハルバッハ配列磁石体を用いる円筒型リニアアモーター全般、特に円筒型リニアサーボモーターにおいて、有用に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be effectively used in general cylindrical linear motors using Halbach array magnets, particularly in cylindrical linear servo motors.
10 第1の円筒状永久磁石
12 第2の円筒状永久磁石
13 第3の円筒状永久磁石
30、300 固定子
40 センター軸
41A、41B ナット
50 ケーシング
80-1U、80-2U’、80-1V’、80-2V、80-1W、80-2W’ 環状コイル
90 コイルケーシング
100、400 可動子
200、200’ 位置検出装置
410 脚部
510 リニアガイド
S1、S2 磁気センサ
10 first cylindrical
Claims (7)
前記ハルバッハ配列磁石体は、長さ方向に異方性を持つ第1の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第2の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第2の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第3の円筒状永久磁石を組み合わせてなる配列磁石体を少なくとも1組備え、
前記第2の円筒状永久磁石と前記第3の円筒状永久磁石は同じ長さaを有し、
前記第1の円筒状永久磁石の長さbと前記長さaとの関係を、0.7b≦a≦0.8bとしたことを特徴とする円筒型リニアモーター。 A cylindrical linear motor having two magnetic sensors provided at an interval of 1/4 wavelength of a magnetic field waveform generated by a driving magnet of the cylindrical linear motor, and processing detection signals output from the two magnetic sensors. A Halbach array magnet as the driving magnet, wherein the position of the mover is detected using the magnetic field generated by the driving magnet and feedback control is performed by a position detection device that uses the signal obtained by the above as a position signal. In a cylindrical linear motor with a body,
In the Halbach array magnet body, a first cylindrical permanent magnet having anisotropy in the length direction is combined with a second cylindrical permanent magnet having anisotropy in the radial direction on one end side, and a has anisotropy in the radial direction and at least one set of arrayed magnet bodies formed by combining a third cylindrical permanent magnet having a magnetic pole direction opposite to the magnetic pole direction of the second cylindrical permanent magnet. ,
the second cylindrical permanent magnet and the third cylindrical permanent magnet have the same length a;
A cylindrical linear motor, wherein the relationship between the length b and the length a of the first cylindrical permanent magnet is 0.7b≤a≤0.8b.
前記ハルバッハ配列磁石体として、前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う2組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第1の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第1の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第3の円筒状永久磁石又は第2の円筒状永久磁石を交互に共用する構成としたことを特徴とする請求項1に記載の円筒型リニアモーター。 The arranged magnet body combines the second cylindrical permanent magnet having a magnetic pole direction in the radial direction toward the outer peripheral side to the N pole side of the first cylindrical permanent magnet, and the first cylindrical permanent magnet Combining the third cylindrical permanent magnet having a magnetic pole direction in the radial direction toward the central axis side on the S pole side of the magnet,
As the Halbach arrayed magnets, an arrayed magnet assembly in which a plurality of sets of the arrayed magnets are combined in series is provided. are combined with the other set so that the direction of the magnetic poles of the cylindrical permanent magnets of the other set is opposite to the direction of the magnetic poles of the first cylindrical permanent magnets of the arrayed magnet bodies of the other set. 2. The cylindrical linear motor according to claim 1, wherein the three cylindrical permanent magnets or the second cylindrical permanent magnets are alternately shared.
前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した前記可動子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成したことを特徴とする請求項2に記載の円筒型リニアモーター。 a stator having a circular cross section integrally constructed by inserting a shaft body into a hole at the center of each of the first to third cylindrical permanent magnets in the arrayed magnet assembly;
The movable element is combined with the outer peripheral side of the stator so as to be linearly movable along the stator, and has a cylindrical casing in which a plurality of annular coils concentric with the casing are arranged along the casing. 3. A cylindrical linear motor according to claim 2 , wherein the cylindrical linear motor is configured to act as a linear motor.
前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモーターとして作用するように構成したことを特徴とする請求項2に記載の円筒型リニアモーター。 the mover having a circular cross section integrally movable in the direction of the central axis by inserting a shaft body into a hole at the center of each of the first to third cylindrical permanent magnets in the arrayed magnet assembly;
A stator, which is combined with the outer circumference of the mover along the central axis direction and has a plurality of annular coils concentric with the casing disposed along the cylindrical casing, acts as a cylindrical linear motor. 3. The cylindrical linear motor according to claim 2 , characterized in that it is configured to
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