TW201633670A - 線性馬達 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具有高推力且可減少齒槽效應之線性馬達。定子1係於衝程方向具備有複數個核心單元21a、21b、21c。各核心單元21a、21b、21c具備有：第一核心31，其具有第一磁極34a及與第一磁極34a極性相異之第二磁極34b；線圈41a、41b，其係捲繞於第一核心31；第二核心32，其具有第三磁極35a及與第三磁極35a極性相異之第四磁極35b；以及線圈42a、42b，其係捲繞於第二核心32。第三磁極35a係與第一磁極34a相對向，第四磁極35b係與第二磁極34b相對向。動子2係夾存於第一磁極34a與第三磁極35a之間，並且被夾存於第二磁極34b與第四磁極35b之間。

Description

線性馬達
本發明係關於一種可使第二構件相對於第一構件沿一方向線性馬達相對地移動線性馬達。
已知有將磁鐵使用於場磁鐵之同步型線性馬達。該線性馬達係具備有動子及定子，該動子具有磁鐵，該定子具有核心及被捲繞於核心之線圈。於核心設置有與動子之磁鐵相對向之突極。於突極捲繞有線圈。典型之線圈為三相線圈。若將相位偏移120度之三相交流電流通於三相線圈，藉由產生於磁鐵之磁通與產生於核心之磁通的相互作用，便會使動子相對於定子沿一方向移動。
習知之線性馬達，由於定子之核心與動子之磁鐵相對向，因此存在有於核心與磁鐵之間作用有較推力更大之磁性吸引力的問題。為了減少該磁性吸引力，於專利文獻1揭示有一種所謂隧道式之線性馬達，其使動子在由定子之核心所封閉之空間內移動。該線性馬達之特徵在於核心之構造。亦即，定子之核心具備有：上部磁極齒與下部磁極齒相對向之第一對向部、及上部磁極齒與下部磁極齒相對向之第二對向部。第一對向部與第二對向部係以極性成為相反之方式相互不同地形成。若於線圈通電，在由第一及第二對向部之上部磁極齒與下部磁極齒所包夾之空間，便會產生上下輪替之磁通。動子係於該磁通隧道內移動。
作為減少作用於定子之核心與動子之磁鐵之吸引力之其他發明，於專利文獻2中揭示有一種線性馬達，其於動子之上下配置2個定子(參照專利文獻2之圖8)。動子具備有磁性體之軛部、與被配置於軛部之磁鐵。2個定子分別具備有核心、與被捲繞於核心之突極之線圈。藉由於動子之上下配置2個定子，可利用作用於下側之定子及動子之間的吸引力，與作用於上側之定子及動子之間的吸引力相抵。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2002-125360號公報
[專利文獻2]日本專利特開2004-172557號公報
但是，於專利文獻1所記載之隧道式線性馬達中，存在有核心之磁性回路較長，而容易引起核心磁性飽和(即，即使增大流通於線圈之電流，磁通亦無法增強之現象)之問題。若核心發生磁性飽和，則無論對線圈流通再多電流，亦無法增大推力。
於專利文獻2所記載之線性馬達中，由於產生線性馬達之推力變動的齒槽效應，因此存在有難以將平台高精度地進行定位之問題。
因此，本發明之目的，在於提供一種可在高推力時亦可減少齒槽效應之線性馬達。
本發明一態樣之線性馬達，係可使第二構件相對於第一構件沿一方向相對地移動者，上述第一構件係於上述一方向具備有複數個核心單元，該核心單元包含有：第一核心，其具有第一磁極及與上述第一磁極極性相異之第二磁極；捲繞於上述第一核心之線圈；第二核心，其具有第三磁極及與上述第三磁極極性相異之第四磁極；以及被捲繞於上述第二核心之線圈；上述第三磁極係與上述第一磁極相對向，上述第四磁極係與上述第二磁極相對向，上述第二構件被夾存於上述第一磁極與上述第三磁極之間，並且被夾存於上述第二磁極與上述第四磁極之間。
根據本發明，由於磁性回路係由夾著第二構件之第一核心與第二核心所構成，因此可縮短第一及第二核心之磁通路徑。藉由將線圈分別捲繞於第一及第二核心，可增大推力。而且，由於作用於夾著第二構件之第一核心與第二核心之吸引力為大致相同之大小，且方向相反，因此可大致抵消整體之吸引力。因此，可減少齒槽力效應。此外，因為於一方向上鄰接之第一核心彼此或第二核心彼此難以形成磁性回路，所以可減少因磁性洩漏所產生之雜訊。
1‧‧‧定子(第一構件)
2‧‧‧動子(第二構件)
3‧‧‧基座
4a、4b‧‧‧磁鐵
4-1‧‧‧一磁鐵列
4-2‧‧‧另一磁鐵列
6‧‧‧基材
6a、6b‧‧‧動子之兩端部
7‧‧‧開口
8、9‧‧‧線性導件(支撐機構)
8a‧‧‧軌道
8b‧‧‧導塊
9a‧‧‧軌道
9b‧‧‧導塊
10‧‧‧支架
11‧‧‧板材或片材
12‧‧‧量尺
13‧‧‧感測器
21a、21b、21c‧‧‧核心單元
21-1、21-2‧‧‧電樞
23‧‧‧架台
31‧‧‧第一核心
31a、31b‧‧‧第一核心之突極
31c‧‧‧基部
32‧‧‧第二核心
32a、32b‧‧‧第二核心之突極
32c‧‧‧基部
34a‧‧‧第一磁極
34b‧‧‧第二磁極
35a‧‧‧第三磁極
35b‧‧‧第四磁極
41a、41b、42a、42b‧‧‧線圈
51‧‧‧磁性回路
60‧‧‧定子
61‧‧‧軛部
62‧‧‧磁鐵
63‧‧‧核心
63a、63b、63c‧‧‧突極
64a、64b、64c‧‧‧線圈
65‧‧‧動子
71‧‧‧磁性回路
72、73‧‧‧線性導件(支撐機構)
N、S‧‧‧磁極
P‧‧‧極距
P1‧‧‧間距
圖1係本發明第一實施形態之線性馬達之立體圖。
圖2係圖1之C箭視圖(俯視圖)。
圖3係圖1之A箭視圖(側視圖)。
圖4係圖1之B箭視圖(側視圖)。
圖5係本實施形態之線性馬達之動子之立體圖。
圖6係圖5之D-D線剖面圖。
圖7係顯示本實施形態之線性馬達之定子之核心單元與動子之2個磁鐵列之立體圖(圖7(a)為總體圖，圖7(b)係圖7(a)之放大圖)。
圖8係顯示習知之線性馬達之定子之核心單元與動子之磁鐵之立體圖(圖8(a)為總體圖，圖8(b)為圖8(a)之放大圖，圖8(c)為側視圖)。
圖9為自本發明第二實施形態之線性馬達之衝程方向所觀察之側視圖。
以下，根據所附圖式，對本發明之實施形態之線性馬達進行說明。然而，本發明之線性馬達係可以各種形態具體化，而不限定於本說明書所記載之實施形態。本實施形態係為了使本發明所屬技術領域中具有通常知識者能充分理解發明之範圍，而藉由說明書之充分揭示所提供者。
圖1係顯示本發明第一實施形態之線性馬達之立體圖，圖2係顯示圖1之C箭視圖(俯視圖)，圖3係顯示圖1之A箭視圖(側視圖)，而圖4係顯示圖1之B箭視圖(側視圖)。於該等之圖式及說明書中，對相同之構成賦予相同之符號。
如圖1所示，線性馬達具備有作為第一構件之定子1、及作為第二構件之動子2。定子1係固定於基座3。動子2係可朝一方向(箭頭B之方向，以下稱為衝程方向)移動地被支撐於基座3。再者，以下為方便說明，係使用自衝程方向觀察動子2時之各方向，即圖1所示之左右方向、與上下方向及前後方向，來說明 線性馬達之構成。當然，線性馬達之配置係不限於如此之左右、上下及前後。
動子2之構成係如下所述。圖5係顯示動子2之立體圖。動子2具備排列有複數個磁鐵4a、4b之2個磁鐵列4-1、4-2。2個磁鐵列4-1、4-2相互平行。在各磁鐵列4-1、4-2中，磁鐵4a、4b係沿衝程方向(圖5之前後方向)而以一定之間距P排列。上側之磁鐵列4-1之磁鐵4a、4b之前後方向的位置與下側之磁鐵列4-2之磁鐵4a、4b之前後方向的位置互為一致。
磁鐵4a、4b係形成為四邊形之板狀，並朝其厚度方向(圖5之左右方向)被磁化。磁鐵4a其右側之表面為N極，而其左側之表面為S極。磁鐵4b其右側之表面為S極，而其左側之表面為N極。在圖5中，於磁鐵4b之S極具有點狀圖樣。上側之磁鐵列4-1之極性係於前後方向形成為N、S、N、S、N...。下側之磁鐵列4-2之極性係於前後方向形成為S、N、S、N、S...。亦即，於前後方向相鄰接之磁鐵4a、4b的極性相反。而且，於上下方向相鄰接之磁鐵的極性亦相反。再者，在配置磁鐵4a、4b時，亦可使其等偏斜(skew)(傾斜地配置)。
於四邊形板狀之基材6，形成有可供磁鐵4a、4b嵌合之開口7。基材6係由杜拉鋁(duralumin)等之非磁性體所構成。基材6寬度方向(圖5之上下方向)之兩端部6a,6b係較中央部更厚。於兩端部6a、6b安裝有作為支撐機構之線性導件8、9(參照圖4)。例如，於基材6之上端部6b安裝有線性導件9之軌道9a。於基材6之下端部6a，經由截面S字形之支架10而安裝有線性導件8之導塊8b(參照圖4)。
圖6係顯示動子2之D-D線剖面圖。如上述，於基材6之開口7嵌合有磁鐵4a、4b。於基材6之表面，黏著有板材或片材11。板材或片材11係碳纖維強化塑膠(carbon-fiber-reinforced plastic,CFRP)製。即使將磁鐵4a、4b嵌合於基材6之開口7，磁鐵4a、4b與基材6之黏著面積亦只有與磁鐵4a、4b相對向之基材6之開口7之框架的面積。藉由將板材或片材11黏著於基材6，可防止磁鐵4a、4b自基材6脫落。
如圖1所示，於動子2上側之磁鐵列4-1與下側之磁鐵列4-2之間，配置有用以檢測動子2之位置之量尺12。於定子1安裝有與量尺12進行互動而輸出位置信號之感測器13。量尺12及感測器13係構成編碼器。感測器13之位置信號係用於例如周知之回饋控制。
定子1之構成係如下所述。如圖1所示，定子1具備有沿衝程方向(圖1之前後方向)排列之複數個核心單元21a~21c。核心單元21a~21c係安裝於被固定在基座3之L字形的架台23。
在該實施形態中，於定子1配置有2個電樞21-1、21-2。線性馬達係三相之線性馬達，且各電樞21-1、21-2之核心單元係分類為U相核心單元21a、V相核心單元21b、及W相核心單元21c。將磁鐵4a、4b之極距設為P(參照圖5)時，相鄰之核心單元21a、21b之間距P1(參照圖2)使為2P/3、4P/3等。相鄰之核心單元21b、21c之間距亦為P1。再者，線性馬達之相數並不限定為3相，亦可設為2相、4相、5相等。電樞21-1、21-2之數量亦不限定為2個，亦可設為1個、3個、4個等。
如圖4所示，核心單元21a具備有夾著動子2之第一 及第二核心31、32。第一核心31係形成為C字形，具備有基部31c，以及自基部31c朝向動子2突出之2個突極31a、31b。如圖1所示，複數個第一核心31係沿著衝程方向(圖1之前後方向)彼此分離。再者，亦可使非磁性體介存於相鄰之第一核心31之間。第一核心31係由積層鋼板所製造。
如圖4所示，於第一核心31之2個突極31a、31b捲繞有2個線圈41a、41b。更詳細而言，如圖7(a)所示，於U相核心單元21a之第一核心31捲繞有U相之線圈41a、41b，於V相核心單元21b之第一核心31捲繞有V相之線圈41a、41b，而於W相核心單元21c之第一核心31捲繞有W相之線圈41a、41b。如圖4所示，若使電流流通於線圈41a，則於突極31a之前端便會形成第一磁極34a(例如N極)，而於突極31b之前端便會形成與第一磁極34a極性相異之第二磁極34b(例如S極)。於2個線圈41a、41b，以加強第一及第二磁極34a、34b之方式流通有相同相位之交流電。第一及第二磁極34a、34b之極性係週期性地反轉。
如圖4所示，第二核心32亦形成為C字形，具備有基部32c、及自基部32c朝向動子2突出之2個突極32a、32b。複數個第二核心32係沿衝程方向彼此分離(參照圖7(a))。再者，亦可於相鄰之第二核心32間介存有非磁性體。第二核心32係由積層鋼板所製造。
於第二核心32之2個突極32a、32b捲繞有2個線圈42a、42b。更詳細而言，如圖7(a)所示，於U相核心單元21a之第二核心32捲繞有U相之線圈42a、42b，於V相核心單元21b之第二核心32捲繞有V相之線圈42a、42b，而於W相核心單元21c 之第二核心32捲繞有W相之線圈42a、42b。如圖4所示，若使電流流通於線圈42a、42b，則於突極32a之前端便會形成有第三磁極35a(例如S極)，而於突極32b之前端便會形成有與第三磁極35a極性相異之第四磁極35b(例如N極)。於2個線圈42a、42b，以加強第三及第四磁極35a、35b之方式流通有相同相位之交流電。第三及第四磁極35a、35b之極性係週期性地反轉。
第一磁極34a係與第三磁極35a之極性相異，且在第一磁極34a與第三磁極35a之間流通有磁通量。第二磁極34b係與第四磁極35b之極性相異，且在第二磁極34b與第四磁極35b之間流通有磁通量。第一磁極34a及第三磁極35a之間之磁通量的方向係與第二磁極34b及第四磁極35b之間之磁通量的方向相反。第一核心31與第二核心32係構成磁性回路51(參照圖7(b))。
於第一核心31與第二核心32之間，夾存有動子2。於第一磁極34a與第三磁極35a之間，夾存有動子2上側之磁鐵列4-1(參照圖5)。於第二磁極34b與第四磁極35b之間，夾存有動子2下側之磁鐵列4-2(參照圖5)。
如圖4所示，於動子2寬度方向(圖4之上下方向)之兩端部，安裝有導引動子2之移動的線性導件8、9。線性導件8、9具備有軌道8a、9a、及沿著軌道8a、9a移動之導塊8b、9b。線性導件係周知者，於軌道8a、9a與導塊8b、9b之間介存有可進行滾動運動的多數個滾動體。動子2寬度方向(圖4之上下方向)之兩端部6a、6b係突出於第一及第二核心31、32之外側。被安裝於動子2之兩端部6a、6b之線性導件8、9，亦被配置於第一及第二核心31、32之外側。再者，亦可使用滾珠花鍵、滾珠襯套等取代線 性導件8、9。
圖7(a)係顯示定子1之核心單元21a~21c與動子2之2個磁鐵列4-1、4-2之立體圖。圖7(b)係圖7(a)之放大圖。如上述，第一核心31之第一磁極34a與第二磁極34b之極性相異。而且，第二核心32之第三磁極35a與第四磁極35b之極性相異。此外，第一磁極34a與第三磁極35a之極性相異，且第二磁極34b與第四磁極35b之極性相異。若使電流流通於核心單元之4個線圈41a、41b、42a、42b，磁通會自第一磁極34a流向第三磁極35a，且磁通會自第四磁極35b流向第二磁極34b。然後，在第一核心31與第二核心32便構成磁性回路51。若對U相核心單元21a、V相核心單元21b、W相核心單元21c流通相位各偏移120度之交流電，則動子2便會藉由磁性回路51與動子2之磁鐵列4-1、4-2之磁通的相互作用，而沿著衝程方向移動。
根據本實施形態之線性馬達，可發揮以下之功效。由於在夾著動子2之第一核心31與第二核心32構成磁性回路51，因此可縮短第一及第二核心31、32之磁通路徑。藉由將線圈41a、41b、42a、42b分別捲繞於第一及第二核心31、32，可增大推力。而且，由於作用於夾著動子2之第一核心31與第二核心32之吸引力，大小大致相同，且方向相反，因而可大致抵消整體之吸引力。因此，可減少齒槽效應力。此外，因為於沿著動子2之衝程方向相鄰接之第一核心31彼此或第二核心32彼此難以形成磁性回路，所以可減少因磁性洩漏所產生之雜訊。
一邊參照圖8之比較例一邊說明可減少齒槽效應之理由。圖8(a)係顯示習知之線性馬達。該線性馬達之定子60具備 有磁性體之軛部61、及被排列於軛部61之複數個磁鐵62。動子65具備有核心63，其具有與磁鐵62相對向之U、V、W相之突極63a~63c；及被捲繞於突極63a~63c之U、V、W相之線圈64a~64c。如圖8(c)所示，在習知之線性馬達中，於磁鐵62與核心63之間作用有磁吸引力。在磁鐵62位於核心63之正下方時(參照圖8(c)之左圖)，因為磁性安定，所以不會發生齒槽效應力。然而，在核心63離開安定之位置時(參照圖8(c)之右圖)，因為核心63會設法返回原本之位置，所以會產生齒槽效應力。如圖7(b)所示，如本實施形態之線性馬達，以將動子2夾著之方式配置第一核心31與第二核心32，可藉此抵消磁吸引力，並減少齒槽效應力。
而且，如圖8(b)之放大圖所示，在習知之線性馬達中，形成有通過在動子65之衝程方向相鄰接之U、V、W相之突極63a~63c之磁性回路71，而產生因磁性洩漏所造成之雜訊。根據本實施形態之線性馬達，如圖7(b)所示，因為於沿著動子2之衝程方向相鄰接之第一核心31彼此或第二核心32彼此難以形成磁性回路，所以可減少因磁性洩漏所產生之雜訊。
根據本實施形態之線性馬達，可進一步發揮以下之功效。動子2具備有2個磁鐵列4-1、4-2，一磁鐵列4-1係夾存於第一磁極34a與第三磁極35a之間，另一磁鐵列4-2係夾存於第二磁極34b與第四磁極35b之間。由於磁性回路51與衝程方向正交，而於衝程方向不存在磁性回路51，因此可進一步減少齒槽效應。
核心單元21a~21c之第一核心31彼此分離，核心單元21a~21c之第二核心32彼此分離。由於核心單元21a~21c彼此獨立，因此可防止某一相之核心單元(例如U相核心單元21a)受到 其他相之核心單元(例如V相核心單元21b及W相核心單元21c)之洩漏磁通量的影響。
藉由將動子2之基材6設為非磁性體，可使夾著動子2之第一核心31與第二核心32易於構成磁性回路。
藉由將板材或片材11黏著於基材6，可防止磁鐵4a、4b自基材6脫落。
自衝程方向觀察線性馬達時，由於動子2寬度方向之兩端部6a、6b係突出於第一及第二核心31、32之外側，且導引動子2移動之線性導件8、9係配置於動子2之兩端部6a、6b，因此可防止磁通量洩漏於線性導件8、9，且可利用線性導件8、9安定地導引動子2之移動。
因為將2個線圈41a、41b捲繞於C字形之第一核心31之2個突極31a、31b，且將2個線圈42a、42b捲繞於C字形之第二核心32之2個突極32a、32b，所以可於動子2之附近配置線圈41a、41b、42a、42b，而可縮短磁通路徑。
由於將量尺12配置在動子2之2個磁鐵列4-1、4-2之間，因此可高精度地測量動子2之位置。這是因為可將量尺12配置於作用有動子2之力之部分的附近。
圖9係顯示本發明第二實施形態之線性馬達。該圖9係顯示自衝程方向觀察線性馬達之側視圖。在前述之第一實施形態中，雖然定子1係固定於基座3，而動子2會移動，但在第二實施形態中，則定子1會移動，而動子2係固定於基座3。其他之構成係與第一實施形態之線性馬達大致相同。動子2之下端部係固定於基座3。於動子2之上端部與定子1之間，介存有線性導件72。於 定子1之下端部與基座3之間，介存有線性導件73。定子1之移動係藉由線性導件72、73所導引。
再者，本發明係不限定於被具體化為前述之實施形態者。例如在前述實施形態之線性馬達中，雖然將2個線圈分別捲繞於第一及第二核心，但亦可僅捲繞1個線圈。
而且，在前述之實施形態之線性馬達中，雖然使複數個第一核心於衝程方向上分離，但考慮到複數個第一核心之製造之難易度，亦可以磁性體連結複數個第一核心。複數個第二核心亦同。
此外，在前述之實施形態之線性馬達中，雖然於動子配置磁鐵，但既可於動子取代磁鐵而配置線圈，亦可於動子配置具有磁性體之凸部的平板。
此外，在前述之實施形態中，雖已對將位置信號回饋之回饋控制之例子進行說明，但亦可使用開放迴圈控制，而將線性馬達作為線性步進馬達來使用。而且，亦可使用無位置感測器控制。
本說明書係基於2014年12月25日提出申請之日本專利特願2014-262179。其內容全部包含於此。
1‧‧‧定子(第一構件)
2‧‧‧動子(第二構件)
4-1‧‧‧一磁鐵列
4-2‧‧‧另一磁鐵列
21a‧‧‧核心單元
21b‧‧‧核心單元
21c‧‧‧核心單元
21-1‧‧‧電樞
21-2‧‧‧電樞
31‧‧‧第一核心
32‧‧‧第二核心
34a‧‧‧第一磁極
34b‧‧‧第二磁極
35a‧‧‧第三磁極
35b‧‧‧第四磁極
41a‧‧‧線圈
41b‧‧‧線圈
42a‧‧‧線圈
42b‧‧‧線圈
51‧‧‧磁性回路

Claims (8)

  1. 一種線性馬達，係可使第二構件相對於第一構件沿一方向相對地移動者；其中，上述第一構件係於上述一方向具備有複數個核心單元，該核心單元包含有：第一核心，其具有第一磁極及與上述第一磁極極性相異之第二磁極；捲繞於上述第一核心之線圈；第二核心，其具有第三磁極及與上述第三磁極極性相異之第四磁極；以及捲繞於上述第二核心之線圈；上述第三磁極係與上述第一磁極相對向，上述第四磁極係與上述第二磁極相對向，上述第二構件係夾存於上述第一磁極與上述第三磁極之間，並且被夾存於上述第二磁極與上述第四磁極之間。
  2. 如請求項1之線性馬達，其中，上述第二構件具備排列有複數個磁鐵之2個磁鐵列，一磁鐵列係夾存於上述第一磁極與上述第三磁極之間，另一磁鐵列係夾存於上述第二磁極與上述第四磁極之間。
  3. 如請求項1或2之線性馬達，其中，複數個上述第一核心彼此分離、或在相鄰之上述第一核心之間介存有非磁性體，複數個上述第二核心彼此分離、或在相鄰之上述第二核心之間介存有非磁性體。
  4. 如請求項2之線性馬達，其中，上述第二構件之上述複數個磁鐵，係固定於由非磁性體所構成之基材。
  5. 如請求項4之線性馬達，其中， 上述第二構件之上述複數個磁鐵係嵌合於上述基材之複數個開口，於上述基材黏著有板材或片材。
  6. 如請求項1或2之線性馬達，其中，於自上述一方向觀察上述線性馬達時，上述第二構件之寬度方向之兩端部係突出於上述第一核心及上述第二核心之外側，用以導引上述第二構件之移動之支撐機構係配置於上述第二構件之上述兩端部。
  7. 如請求項1或2之線性馬達，其中，於C字形之上述第一核心的2個突極，捲繞有2個線圈，於C字形之上述第二核心的2個突極，捲繞有2個線圈。
  8. 如請求項2、4及5中任一項之線性馬達，其中，於上述2個磁鐵列之間，配置有用以檢測動子之位置之量尺。
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