TW202135436A - 可動子及線性伺服馬達 - Google Patents

Abstract

可動子(1)係具有：沿可動方向分割的鐵芯(11)；藉由夾持在鐵芯(11)之間的磁鐵(12)所形成，且為自沿可動方向延伸的芯背(15)突出複數個齒部(14)之形狀的可動子鐵芯(40)；以及捲繞於各個齒部(14)的線圈(13)；其中，從磁鐵(12)進入至鐵芯(11)的磁通係包含：可動方向的方向成分及屬於從芯背(15)朝齒部(14)之方向的齒部前端方向的方向成分；並且，從鐵芯(11)進入至磁鐵(12)的磁通係包含：可動方向的方向成分及從屬於齒部(14)朝芯背(15)之方向的齒部根部方向的方向成分。

Description

可動子及線性伺服馬達

本揭示係關於一種具備有埋入磁鐵之鐵芯(core)的可動子及線性伺服馬達。

線性伺服馬達的可動子係由可動子鐵芯與線圈所構成，而定子係由磁鐵及基座所構成，其中，該可動子鐵芯係齒部自沿可動方向延伸的芯背(core back)突出的形狀者。可動子的線圈係配置在屬於齒部彼此之間之間隙的槽部(slot)並捲繞於齒部。

若線性伺服馬達為於定子設置磁鐵的構造，則為了加長馬達的可動距離而延長定子的長度時，磁鐵數量會增加而增加成本。為了防止成本的增加，若減少每單位長度的磁鐵數，會致使可動子的推力降低。

專利文獻1揭示一種於可動子鐵芯埋入了磁鐵的線性伺服馬達。專利文獻1所揭示的線性伺服馬達係在齒部之中定子側的部分設置寬度擴張部分，藉此使通過齒部的磁通增加。專利文獻1所揭示的線性伺服馬達，由於定子沒有配置磁鐵，而抑制了因可動距離的延長所致的成本的上昇。 (先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開2018-183043號公報。

[發明所欲解決的課題]

專利文獻1所揭示的線性伺服馬達，由於齒部的磁場係垂直於可動方向並朝向定子側，因此難以使可動子的推力提升。

本發明係有鑑於上述課題所研創者，目的在於獲得一種可動子，比使齒部的磁場設為垂直於可動方向並朝定子側，還使推力提升。 [解決課題的手段]

為解決上述課題並達成目的，本發明的可動子係具有：沿可動方向分割的鐵芯；藉由夾持在鐵芯之間的磁鐵所形成，且為自沿可動方向延伸的芯背突出複數個齒部之形狀的可動子鐵芯；以及捲繞於各個齒部的線圈。從磁鐵進入至鐵芯的磁通係包含：可動方向的方向成分及屬於從芯背朝齒部之方向的齒部前端方向的方向成分。從鐵芯進入至磁鐵的磁通係包含：可動方向的方向成分及從屬於齒部朝芯背之方向的齒部根部方向的方向成分。 [發明之效果]

本揭示的可動子係達成下述功效：會比將齒部的磁場設為垂直於可動方向並朝定子側，更可使推力提升。

以下，根據圖式詳細說明實施型態的可動子及線性伺服馬達。

實施型態1 圖1係實施型態1的線性伺服馬達的立體圖。圖2係實施型態1的線性伺服馬達的剖面圖。線性伺服馬達10係具有：可動子1及定子2。定子2為棒狀並等間隔配置有突起21。可動子1係沿著定子2之突起21的排列方向移動。也就是，定子2之突起21的排列方向亦為可動子1的可動方向。圖2中箭頭A顯示可動子1的可動方向。

可動子1係具有可動子鐵芯40及線圈13，該可動子鐵芯40係從沿可動方向伸長的芯背15突出複數個齒部14之形狀者。可動子鐵芯40係由沿可動方向分割的鐵芯11及夾持於鐵芯11之間的磁鐵12所形成。以下的說明中，從芯背15朝向齒部14的方向係稱為齒部前端方向，而從齒部14朝向芯背15的方向係稱為齒部根部方向。圖2中箭頭B顯示齒部前端方向，而以箭頭C顯示齒部根部方向。齒部14係複數個排列於可動子1的可動方向，且在各齒部14捲繞線圈13。線圈13係配置於兩個鄰接齒部14間之稱為「槽部」的間隙。可動子1係沿齒部14的排列方向移動。也就是，可動子1及定子2係以齒部14的排列方向與突起21的排列方向為相同方向的方式配置。

可動子鐵芯40係形成為利用可動方向之槽部16的中央部來分割鐵芯11的構造。利用槽部16的中央部來分割鐵芯11，藉此可捲繞線圈13後而排列齒部14，因此使線圈13捲繞至齒部14容易進行。另外，可動子鐵芯40亦可為未利用槽部16的部分來分割鐵芯11的構造。使鐵芯11未由槽部16的部分來分割而連接的構造，藉此可減少可動子鐵芯40的零件數量。

鐵芯11係具有：基部111以及自基部111突出的突出部112。基部111為芯背15的一部分，而突出部112為齒部14的一部分。

在鐵芯11當中突出部112與磁鐵12的界面中，自磁鐵12進入至鐵芯11的磁通除了可動子1的可動方向的方向成分之外，還包含有齒部前端方向的方向成分。此外，在鐵芯11當中突出部112與磁鐵12的界面中，自鐵芯11進入至磁鐵12的磁通除了可動子1的可動方向的方向成分外，還含有齒部根部方向的方向成分。

圖3係顯示實施型態1的線性伺服馬達的可動子的變形例之圖。自磁鐵12進入至鐵芯11的磁通不僅是鐵芯11中的突出部112中、在基部111中也包含可動方向的方向成分與齒部前端方向的方向成分，且自鐵芯11進入至磁鐵12的磁通也包含了可動方向的方向成分與齒部根部方向的方向成分。

圖4係實施型態1的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。圖4中箭頭顯示實施型態1之可動子1的磁鐵12內部的磁通方向。在包含由齒部前端方向與可動子1的可動方向以及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，磁鐵12的內部的磁通係朝齒部根部方向呈凸的曲線狀。

圖5及圖6係顯示使實施型態1的線性伺服馬達的可動子的磁鐵磁化的方法之圖。首先，如圖5所示，使具備有軛鐵芯31及勵磁線圈32的勵磁軛3配置在齒部14的前端側，且使勵磁線圈32正對於磁鐵12。並且，如圖6所示，產生環狀的勵磁磁場4，該環狀的勵磁磁場4所繞的軸係與齒部前端方向及齒部根部方向成垂直，且與可動子1之可動方向成垂直，藉由產生該環狀的勵磁磁場4，可使磁鐵12內部的磁通在包含由齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，成為朝齒部根部方向呈凸的曲線狀。

相較於自磁鐵12進入至鐵芯11之磁通及自鐵芯11進入至磁鐵12之磁通的方向為可動方向的情形，實施型態1的線性伺服馬達10會使自磁鐵12經由鐵芯11進入至定子2的突起21的磁通增加，以及使自定子2的突起21經由鐵芯11進入至磁鐵12的磁通增加。因此，實施型態1的線性伺服馬達10會使磁阻轉矩(reluctance torque)增加，可使可動子1的推力提升。

此外，若使磁鐵12朝與可動方向垂直並且為定子2側之方向的齒部前端方向產生磁場的情形，為了提升推力，必須在齒部14配置可動方向尺寸較大的磁鐵12，而使齒部14的可動方向的尺寸變大。然而，當齒部14的可動方向的尺寸變大時，使得屬於線圈13之設置空間的槽部16變窄，會阻礙推力提升。也就是，當使磁鐵12朝齒部前端方向產生磁場的情形，若使自磁鐵12進入至定子2的突起的磁通資加，會致使線圈13所產生的磁力減弱，因而難以使可動子1的推力提升。實施型態1的線性伺服馬達10不須使配置於齒部14之磁鐵12的可動方向的尺寸變大，因此不用使槽部16變窄。因此，實施型態1的線性伺服馬達10，能夠不用減少線圈13的匝數，而使磁阻轉矩增加並使可動子的推力提升。

此外，當實施型態1的可動子1係從齒部14的前端側使磁鐵12勵磁時，易使勵磁磁場4的方向與磁鐵12的磁化方向為相同方向，因此可使勵磁磁場4當中磁化方向成分放大，使磁鐵12容易勵磁。

另外，只要自磁鐵12進入至鐵芯11的突出部112的磁通包含可動子1的可動方向的方向成分及齒部前端方向的方向成分，且自鐵芯11的突出部112進入至磁鐵12的磁通包含可動子1的可動方向的方向成分及齒部根部方向的方向成分，則磁鐵12內部的磁通亦可不是曲線狀。

實施型態2 圖7係實施型態2的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。圖7中箭頭顯示實施型態2之可動子1的磁鐵12內部的磁通方向。實施型態2的可動子1中，磁鐵12內部的磁通的彎曲方向在芯背15與齒部14相異。在包含由齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，於齒部14之部分，磁鐵12內部的磁通係形成朝齒部前端方向呈凸的曲線狀。另一面，在芯背15之部分，磁鐵12內部的磁通係在包含由齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，形成朝齒部根部方向呈凸的曲線狀。

圖8係顯示使實施型態2的線性伺服馬達的可動子的磁鐵磁化的方法之圖。利用具備有軛鐵芯31及勵磁線圈32的勵磁軛3，從齒部14伸長之方向的兩方向夾持可動子1，使勵磁線圈32正對於磁鐵12。並且，使所產生之勵磁磁場4形成為繞著與齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1之可動方向成垂直的軸之環狀，藉此可使磁鐵12內部的磁通在包含由齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，在齒部14的磁曲線的彎曲方向與在芯背15的磁曲線的彎曲方向設為相反方向。

實施型態2的可動子1係相較於從齒部14的前端側使磁鐵12整體勵磁的情形，易使芯背15的磁鐵12勵磁。因此，可使磁鐵12的磁力提高而使可動子1的推力提升。

實施型態3 圖9係實施型態3的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。圖9中以箭頭顯示實施型態3之可動子1的磁鐵12內部的磁通方向。圖9係顯示實施型態3之線性伺服馬達的可動子之磁鐵內部的磁通方向的剖面圖。實施型態3的可動子1的磁鐵12係由沿可動方向排列的兩片磁鐵片12a、12b所構成。兩片磁鐵片12a、12b其各自內部的磁通係在包含由齒部前端方向以及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中為直線狀。在由沿可動方向排列的兩片磁鐵片12a、12b所構成的磁鐵12整體中，內部的磁通係在包含由齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，為朝齒部根部方向呈凸的曲線狀。

磁鐵12之材料所採用的強磁性體係具有磁異向性(magnetic anisotropy)，會存在有易磁化的方向與難磁化的方向。實施型態3的磁鐵12由於磁通在磁鐵片12a、12b的內部沒有彎曲，故使兩片的磁鐵片12a、12b各自以易磁化的方向來勵磁，藉此於磁鐵12整體可使內部的磁通設為屈曲線狀。

圖10係顯示實施型態3之線性伺服馬達的可動子的變形例之圖。圖10中以箭頭顯示實施型態3的變形例之可動子1的磁鐵12內部的磁通方向。實施型態3之變形例的可動子1的磁鐵12係沿著齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向的各個方向各排列兩片之總計四片磁鐵片12a、12b、12c、12d所構成。芯背15之磁鐵12內部的磁通，係在包含由齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，為朝齒部前端方向呈凸的屈曲線狀。齒部14之磁鐵12內部的磁通，係在包含由齒部前端方向及齒部根部方向與可動子1的可動方向所形成之平面的剖面中，為朝齒部根部方向呈凸的屈曲線狀。

當沒有使磁鐵12分成為複數個磁鐵片的情形，若要使磁通在磁鐵12內部中彎曲，會由於存在有往難磁化之方向進行勵磁的部分，因此使得磁鐵12的磁力的提高變得困難。實施型態3的可動子1係藉由排列以沿易磁化的方向所磁化的複數個磁鐵片12a、12b、12c、12d，使磁通方向在磁鐵12內部彎曲，故此可使磁鐵12的磁力增加。因此，實施型態3的可動子1係相較於未使磁鐵12分成為複數個磁鐵片的構造，可使推力提升。

實施型態4 圖11係實施型態4的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。實施型態4的可動子1中，僅在齒部14中之自端部算起的第二個齒部14使磁鐵12的厚度不同。具體而言，自端部算起的第二個齒部14的磁鐵12的厚度L2係比其他齒部14的磁鐵12的厚度L1還薄。除此之外，係與實施型態1的可動子1相同。

藉由可動子1的移動，定子2的突起21與磁鐵12的位置關係會週期性地變化。隨著定子2的突起21與磁鐵12的位置關係的週期性的變化，磁鐵12吸引定子2的突起21的吸引力也會週期性地變化，在磁鐵12通過吸引力為最大的部位時，會形成阻礙可動子1之移動的抵抗力。該現象一般稱為齒槽效應(cogging)。可動子1的可動方向之端部的齒部14係僅在可動方向的單側與另一個齒部14鄰接，所以容易受到齒槽效應的影響。實施型態4的可動子1係使自可動子1的可動方向的端部算起的第二個齒部14的磁鐵12比其他齒部14的磁鐵12還薄，因此自端部算起的第二個的齒部14的磁鐵所產生的磁通會比由其他齒部14的磁鐵12所產生的磁通還弱。因此，實施型態4之可動子1的可動方向的端部的齒部14就會變得難以受到齒槽效應的影響。因此，實施型態4的可動子1係可使齒槽效應降低，而謀求節能功效。

實施型態5 圖12係實施型態5的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。圖12中以箭頭顯示實施型態5的可動子1的磁鐵12內部的磁通方向。此外，圖12中以反白箭頭顯示方向性電磁鋼板之易磁化方向。實施型態5的可動子1的鐵芯11係由方向性電磁鋼板所構成。鐵芯11係具備：與磁鐵12接觸的磁鐵接觸部11a；以及連接鐵芯11彼此的鐵芯連結部11b。鐵芯11當中磁鐵接觸部11a的方向性電磁鋼板的易磁化方向為齒部前端方向及齒部根部方向。

磁鐵接觸部11a中，由於容易往齒部前端方向及齒部根部方向進行方向性電磁鋼板的磁化，故從磁鐵12進入至鐵芯11的磁通會容易傳播至齒部14的前端側。因此，相較於鐵芯11沒有易磁化方向的情形，會使進入至定子2之突起21的磁通增加，所以會使可動子1的推力提升。同樣地，線圈13所產生的磁通也變得容易進入至定子2的突起21，也會使可動子1的推力提升。

此外，使磁鐵12勵磁時，也會使勵磁線圈32所產生的磁通易通過磁鐵12，因此可容易地使磁鐵12勵磁。

實施型態5的可動子1係使磁鐵12所產生的磁通及線圈13所產生的磁通兩者容易進入至定子2的突起21，故可使推力提升。

圖13係實施型態5之變形例的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。圖13中，箭頭係顯示實施型態5之變形例的可動子1的磁鐵12內部的磁通方向。此外，圖13中反白箭頭係顯示方向性電磁鋼板的易磁化方向方。實施型態5之變形例的可動子1的鐵芯11中，鐵芯連結部11b的易磁化方向為可動子1的可動方向。鐵芯連結部11b的易磁化方向為可動子1的可動方向，因此使得對於線圈13之通電時產生的磁通會容易通過鐵芯連結部11b。對於線圈13之通電時產生的磁通容易通過鐵芯連結部11b，藉此會使線圈13所產生的磁通變得容易進入至定子2的突起21，故此可使可動子1的推力提升。

實施型態6 圖14係實施型態6的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。圖14中箭頭係顯示實施型態6的可動子1的磁鐵12內部的磁通方向。實施型態6的可動子1中，在齒部14的前端側使可動向方向的磁鐵12的尺寸縮短。鐵芯11與磁鐵12的界面係相對於可動方向傾斜。因此，鐵芯11與磁鐵12的界面的面積會比鐵芯11與磁鐵12的界面相對於可動方向為垂直的情形還更擴大。因此，從磁鐵12進入至鐵芯11的磁通會比鐵芯11與磁鐵12的界面相對於可動方向為垂直的情形增加，會使可動子1的堆力提升。

此外，由於齒部14之前端部中可動方向的磁鐵12的尺寸縮小，故鐵芯11的尺寸會相應地變長，而使齒部14的鐵芯11的體積會比鐵芯11與磁鐵12之介面為垂直的情形變大。因此，會使鐵芯11不易磁性飽和，可增加從磁鐵12或線圈13通過鐵芯11而進入至定子2的突起21的磁通，且可使可動子1的推力提升。

此外，磁鐵12係形成齒部14的前端側較細的錐角形狀，因此即使被定子2的突起21吸引，也難以從鐵芯11脫落。因此，可提高可動子1的強度及耐久性。

以上實施型態所示的構成係內容的一例，亦可與其他公知的技術結合，並且在不脫離要旨的範圍內亦可省略、變更構成的一部分。

1:可動子 2:定子 3:勵磁軛 4:勵磁磁場 10:線性伺服馬達 11:鐵芯 11a:磁鐵接觸部 11b:鐵芯連結部 12:磁鐵 12a,12b,12c,12d:磁鐵片 13:線圈 14:齒部 15:芯背 16:槽部 21:突起 31:軛鐵芯 32:勵磁線圈 40:可動子鐵芯 111:基部 112:突出部 A:可動方向 B:齒部前端方向 C:齒部根部方向 L1:厚度 L2:厚度

圖1係實施型態1的線性伺服馬達的立體圖。 圖2係實施型態1的線性伺服馬達的剖面圖。 圖3係顯示實施型態1的線性伺服馬達的可動子的變形例之圖。 圖4係實施型態1的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。 圖5係顯示使實施型態1的線性伺服馬達的可動子的磁鐵磁化的方法之圖。 圖6係顯示使實施型態1的線性伺服馬達的可動子的磁鐵磁化的方法之圖。 圖7係實施型態2的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。 圖8係顯示使實施型態2的線性伺服馬達的可動子的磁鐵磁化的方法之圖。 圖9係實施型態3的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。 圖10係顯示實施型態3的線性伺服馬達的可動子的變形例之圖。 圖11係實施型態4的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。 圖12係實施型態5的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。 圖13係實施型態5的變形例之線性伺服馬達的可動子的剖面圖。 圖14係實施型態6的線性伺服馬達的可動子的剖面圖。

1:可動子

2:定子

10:線性伺服馬達

11:鐵芯

12:磁鐵

13:線圈

14:齒部

15:芯背

16:槽部

21:突起

40:可動子鐵芯

111:基部

112:突出部

A:可動方向

B:齒部前端方向

C:齒部根部方向

Claims (7)

1. 一種可動子，係具有：沿可動方向分割的鐵芯；藉由夾持在前述鐵芯之間的磁鐵所形成，且為自沿前述可動方向延伸的芯背突出複數個齒部之形狀的可動子鐵芯；以及捲繞於各個前述齒部的線圈； 從前磁鐵進入至前述鐵芯的磁通係包含：前述可動方向的方向成分及屬於從前述芯背朝前述齒部之方向的齒部前端方向的方向成分；並且，從前述鐵芯進入至前述磁鐵的磁通係包含：前述可動方向的方向成分及屬於從前述齒部朝前述芯背之方向的齒部根部方向的方向成分； 前述磁鐵之中，於至少前述齒部的部分中， 前述磁鐵之中磁通朝前述鐵芯流出的部分係以包含前述可動方向的方向成分及前端齒部前端方向的方向成分的方向而被磁化， 磁通從前述鐵芯進入的部分係以包含前述可動方向的方向成分及前述齒部根部方向的方向成分的方向而被磁化； 前述磁鐵之中於前述芯背的部分中， 前述磁鐵之中磁通朝前述鐵芯流出的部分係以包含前述可動方向的方向成分及前述齒部根部方向的方向成分的方向而被磁化， 前述磁鐵之中磁通從前述鐵芯流入的部分係以包含前述可動方向的方向成分及前述齒部前端方向的方向成分的方向而被磁化。
2. 如請求項1所述之可動子，其中，前述磁鐵係分成為具有易磁化方向的複數個磁鐵片。
3. 如請求項1所述之可動子，其中，複數個前述齒部當中，配置於自端部算起的第二個前述齒部的前述磁鐵的前述可動方向的尺寸，係比配置於自端部算起的第二個以外之前述齒部的前述磁鐵還小。
4. 如請求項1所述之可動子，其中，前述鐵芯係由具有易磁化方向的方向性電磁鋼板所構成； 前述齒部之部分的前述方向性電磁鋼板的易磁化方向係前述齒部前端方向及前述齒部根部方向。
5. 如請求項4所述之可動子，其中，前述鐵芯之前述芯背的部分中，前述方向性電磁鋼板的易磁化方向為前述可動方向。
6. 如請求項1至5中任一項所述之可動子，其中，前述磁鐵為在前述齒部的前端部之前述可動方向的尺寸為較小的錐角形狀。
7. 一種線性伺服馬達，係具有： 排列複數個突起之棒狀的定子；以及 如請求項1至6中任一項所述之可動子，係以使前述可動方向與前述突起的排列方向成為相同方向的方式與前述定子相對向而配置。

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