TWI411199B - 線性電動機 - Google Patents

Description

線性電動機

本發明係有關線性電動機。

日本專利公告第11-308850號揭示一線性電動機，該線性電動機包含一定子及一可移動元件，使得可移動元件可相對於定子而往復運動(reciprocate)，且另包含一電樞及一永久磁鐵磁極列(row)，電樞係設置在定子和可移動元件的其中一者上，而永久磁鐵磁極列係設置在定子和可移動元件的另一者上。線性電動機之電樞具有一鐵芯及三相的電樞繞組，鐵芯具有沿著可移動元件之移動方向所配置的三個或更多個磁極部，而三相的電樞繞組分別繞著鐵芯之三個或更多個磁極部而纏繞。永久磁鐵磁極列具有一非磁性材料的框架及多個設置在形成於該框架中之通孔(through hole)中的永久磁鐵，該多個永久磁鐵係沿著可移動元件之移動方向，以預定的間隔而被設置成一列，使得北極和南極可以被交替地配置。該永久磁鐵磁極列面對該等磁極部，且具有預定的間隙於其間。為了減少齒隙轉矩(cogging torque)，在此線性電動機中，分別設置在永久磁鐵磁極列之任一末端處之兩個永久磁鐵的每一個永久磁鐵之長度W1(如同在移動方向上所測量到的)被定義為小於剩餘之永久磁鐵的長度W(如同在移動方向上所測量到的)，並且長度W1對長度W之比值W1/W 被定義為0.5<W1/W<0.6。除此之外，當介於構成電樞之多個磁極部的兩個相鄰磁極部的中心間之間距被定義為τ s，且分別設置於永久磁鐵磁極列之任一末端處的兩個永久磁鐵之其中一個永久磁鐵的中心與和其相鄰之永久磁鐵的中心之間的間距被定義為λ’時，間距λ’對間距τ s之比值λ’/τ s被定義為0.9<λ’/τ s<1.0。

但是，在習知的線性電動機中，充分地減少齒隙轉矩係不可能的。

因此，本發明之目的在於提供一線性電動機，其中，能夠充分地減少齒隙轉矩。

本發明係針對其改進的線性電動機包含一定子及一可移動元件，電樞係設置在該定子和該可移動元件的其中一者上，該電樞包含一鐵芯及三相的電樞繞組，該鐵芯具有沿著該可移動元件之移動方向所配置的三個或更多個磁極部，而該三相的電樞繞組係繞著鐵芯而纏繞，以激發該三個或更多個磁極部。永久磁鐵磁極列係設置在該定子和該可移動元件的另一者上，該永久磁鐵磁極列包含一由磁性材料所做的基底(base)和多個沿著該移動方向而以預定的間隔設置於該基底上的永久磁鐵，使得北極和南極可以被交替地配置。該多個永久磁鐵係配置而面對該三個或更多個磁極部，且具有預定的間隙於其間。分別設置在該永久磁鐵磁極列之任一末端處之兩個永久磁鐵的每一個永久 磁鐵之長度W1(如同在該移動方向上所測量到的)係小於該等剩餘之永久磁鐵的長度W(如同在該移動方向上所測量到的)，每一相每一極之凹槽的數目為3/8(八分之三)。在此，每一相每一極之凹槽的數目被定義為藉由將該電樞之凹槽的數目除以該等永久磁鐵磁極列之極的數目，且進一步將商數除以該等電樞繞組之相的數目所獲得到之數值。

在本發明的一個態樣中，當介於構成該電樞之該多個磁極部的兩個磁極部的中心間之間距被定義為τ s時，剩餘之多個永久磁鐵的長度W被定義為W＝τ s，且長度W1對長度W之比值W1/W被定義為0.43<W1/W<0.49。在努力地研讀之後，本發明之發明人已發現到齒隙轉矩(cogging torque)能夠藉由將比值W1/W定義為0.43<W1/W<0.49而被減少至實際上可接受的程度位準。可以認為是齒隙轉矩由於如上所述之永久磁鐵的配置而被有效地抵消(negated)，亦即，當比值W1/W被定義為在上述範圍之內時。當比值W1/W為0.43或更小時，或者當比值W1/W為0.49或更大時，齒隙轉矩增加至不可接受的程度位準，或者超出可容許的程度位準以外。本發明係根據當比值W1/W落在上述範圍之內時，齒隙轉矩採用最小值之發現。

在本發明的另一個態樣中，線性電動機可包含多個永久磁鐵磁極列。當該等永久磁鐵之設置在該多個永久磁鐵磁極列之其中一側末端處的多個永久磁鐵於該移動方向上 所測量到之長度係彼此不同，並且設置在該一側末端處之該等永久磁鐵的平均長度被定義為W10時，而且當該等永久磁鐵之設置在該多個永久磁鐵磁極列之另一側末端處的多個永久磁鐵於該移動方向上所測量到之長度係彼此不同，並且設置在其該另一側末端處之該等永久磁鐵的平均長度被定義為W20時，該等永久磁鐵磁極列可以被組構而使得該平均長度W10對該長度W之比值W10/W被定義為0.43<W10/W<0.49，並且該平均長度W20對該長度W之比值W20/W被定義為0.43<W20/W<0.49。在上面所定義的比值之內，本發明係可應用的。

較佳地，由非磁性材料所做的間隔器(spacer)係設置於該多個永久磁鐵的兩個相鄰永久磁鐵之間，以形成一間隔於其間。照這樣，該間隔器的出現能夠防止兩個相鄰永久磁鐵之間的短路。

該間隔器係可藉由以低的製造成本來切割習知的線材(wire material)來予以做成。

在本發明的又一個態樣中，該永久磁鐵磁極列可以被設置在該可移動元件上，且該電樞可以被設置在該定子上。在此配置中，該基底可以被形成為圓筒或圓柱形狀，且該多個永久磁鐵可以被固定在該基底的內圍表面上。該定子可被部分地配置在該可移動元件之內，該電樞可以經由在其兩個末端處的定子固定裝置(fixture)而於該可移動元件的該移動方向上被固定在基底臺(base station)上。一導引塊(block)可以被固定於該可移動元件，且該導 引塊可藉由配置於該基底臺上之導軌而被可滑動地支撐。因此，當該導引塊滑動於該導軌上時，該可移動元件能夠相對於該定子而移動於該移動方向上。有此配置，該可移動元件能夠相對於該定子而以簡單的組態來做移動。

現在將參照伴隨之圖形來說明本發明之較佳實施例。圖1為依據本發明之一實施例之圓筒形(cylindrical)線性電動機的剖面視圖，此實施例之線性電動機包含一定子1及一可移動元件3，如圖1所示。定子1包括一電樞9，其包含一鐵芯5及多個電樞繞組7，鐵芯5具有一圓筒形軛部5a及多個自軛部5a延伸出之磁極部5b，一環形凹槽係形成在兩個相鄰的磁極部5b之間，該多個電樞繞組7分別經由絕緣體而繞著該多個環形凹槽而纏繞於圓筒形軛部5a的圓周方向上。在此實施例中，多個電樞繞組7係設置而使得三相係配置成U-相、-U-相、U-相、V-相、-V-相、V-相、W-相、-W-相、及W-相之順序。磁通量自該電樞的流動係詳細解釋於日本專利申請案公告第11-332211(JP11-332211A)號及其他文獻中。

一銅槽(tank)6a係設置在圓筒形軛部5a的內部，冷卻水係經由供應管6b而被供應至槽6a，並且經由排放管6c而從那裡被排出。因此，冷卻水循環於銅槽6a中以冷卻電樞9。

可移動元件3包含一由諸如矽鋼片之軟磁性材料所做 的圓筒形基底(base)11，及黏附於基底11之內圍表面上的永久磁鐵磁極列15。永久磁鐵磁極列15具有多個永久磁鐵(在此實施例中有9個)P1到P9，電樞9係局部配置於永久磁鐵磁極列15的內部，其形狀為圓筒形，使得永久磁鐵P1到P9和該多個磁極部5b可以互相對向(face)。可移動元件3往復運動(reciprocate)於鐵芯5之軛部5a的延伸方向(亦即，由箭號D1所表示之移動方向)上，永久磁鐵磁極列15的永久磁鐵P1到P9，亦即，第1到第M個永久磁鐵(其中，M為4或4以上的自然數；而在此實施例中，M為9)係沿著移動方向，以預定的間隔而被設置成一列，使得北極和南極可以被交替地配置。第1到第9個(第M個)永久磁鐵P1到P9的每一個係構成自一圓筒形永久磁鐵。因此，永久磁鐵P1到P9(第M個)之外部輪廓環形。在此實施例中，於線性電動機中使用9個永久磁鐵，第1個和第9個永久磁鐵P1及P9的長度為剩下的永久磁鐵之長度的一半或者甚至比剩下的永久磁鐵之長度更短。基於此原因，第1個和第9個永久磁鐵P1及P9被一起計算成為一個極。因此，永久磁鐵磁極列15之極的數目被視為總共有8個。在電樞之面對永久磁鐵磁極列15的部分中，凹槽的數目為9。如上所述，三相的電流流經該多個電樞繞組7。因此，對於此實施例之線性電動機而言，每一極每一相之凹槽的數目被計算為3/8(八分之三)。

依據此實施例之線性電動機的鐵芯5在該移動方向 D1上係固定在定子固定裝置(fixture)17A及17B於其兩個末端處，定子固定裝置17A及17B係固定於基底臺(base station)19上，一導引塊(block)21係固定於可移動元件3的下側部分，且藉由設置於該基底臺19上之導軌23而被可滑動地支撐。有此組態，當導引塊21滑動於導軌23之上時，可移動元件3能夠相對於定子1而移動於移動方向D1上。

如圖2所示，圖2為圖1之局部放大視圖，除了設置在永久磁鐵磁極列之末端處的兩個永久磁鐵以外的永久磁鐵，亦即，在永久磁鐵磁極列15中，除了第1個和第9個永久磁鐵P1及P9(第M個)以外的永久磁鐵P2到P8(如同在移動方向上所看到之設置在永久磁鐵磁極列之中間的永久磁鐵)具有和在可移動元件之移動方向D1上所測量到之相同的長度W。在下文中，永久磁鐵P2到P8被稱為中間永久磁鐵P2到P8，且第1個和第9個永久磁鐵P1及P9被稱為末端永久磁鐵P1及P9，末端永久磁鐵P1及P9具有和在移動方向D1上所測量到之相同的長度W1，而長度W1係短於中間永久磁鐵P2到P8的長度W。第5到第9個永久磁鐵並未被例舉於圖2中。當電樞9的兩個相鄰磁極部5b間之間距被定義為τ s時，間距τ s係等於中間永久磁鐵P2到P8的長度W，亦即，W＝τ s，末端永久磁鐵P1及P9的長度W1對中間永久磁鐵P2到P8的長度W之比值為0.43<W1/W<0.49。當介於末端永久磁鐵P1與其相鄰之中間永久磁鐵P2間的距離和介於末端 永久磁鐵P9與其相鄰之中間永久磁鐵P8間的距離分別被定義為d₀ ，並且在中間永久磁鐵P2到P8中，介於兩個相鄰永久磁鐵之中心間的間距被定義為τ p時，d₀ 和長度W1之和對間距τ p的比值為0.6<(d₀ +W1)/τ p<0.66。

接著，對於此實施例之線性電動機而言，藉由改變W1/W之值來研究齒隙轉矩與比值W1/W之間的關係。對於此測試中所使用之線性電動機而言，長度W為12 mm，距離d₀ 為3 mm，間距τ p為13.5 mm，且永久磁鐵P1-P9的厚度各自為4 mm，藉由改變長度W1之值來改變比值W1/W，圖3顯示測量結果。從圖3很明顯地，齒隙轉矩被抑制於0.43<W1/W<0.49的範圍中。

接著，對於此實施例之線性電動機而言，研究齒隙轉矩與可移動元件之位移間的關係，其中，比值W1/W為0.45，以及對於比較例之線性電動機而言，其中，比值W1/W為0.54。在此，此實施例和比較例之線性電動機兩者具有12 mm之相同的長度W，而它們在長度W1方面係不同的，圖4顯示測量結果。從圖4很明顯地，在齒隙轉矩相對於可移動元件之位移的改變上，在此實施例之線性電動機中會比在比較例之線性電動機中更小。

圖5顯示依據本發明之另一實施例之線性電動機的永久磁鐵磁極列。在此實施例之線性電動機中，各個永久磁鐵為弧形，並且有8個永久磁鐵磁極列115。圖5為顯示該8個永久磁鐵磁極列115之一半(4個)的分解平面視 圖。此實施例之線性電動機具有該等永久磁鐵磁極列115之另一半(4個)係類似於圖5所示的永久磁鐵磁極列。如圖2所示，除了分別設置在該8個永久磁鐵磁極列115之8個末端處的末端永久磁鐵P11到P14和P21到P24以外的中間永久磁鐵PC具有和在移動方向D1上所測量到之相同的長度W。

設置在該8個永久磁鐵磁極列115之一側末端處的末端永久磁鐵P11到P14具有不同的長度W11到W14(如同在移動方向D1上所測量到的)，長度W11到W14係短於中間永久磁鐵PC的長度W(如同在移動方向D1上所測量到的)。此外，當永久磁鐵P11到P14之長度W11到W14的平均長度被定義為W10時，平均長度W10對中間永久磁鐵PC的長度W之比值W10/W為0.43<W10/W<0.49。同樣地，設置在該8個永久磁鐵磁極列115之另一側末端處的第9個(第M個)永久磁鐵P21到P24具有不同的長度W21到W24(如同在移動方向D1上所測量到的)，長度W21到W24係短於中間永久磁鐵PC的長度W(如同在移動方向D1上所測量到的)。此外，當永久磁鐵P21到P24之長度W21到W24的平均長度被定義為W20時，平均長度W20對中間永久磁鐵P2到P8的長度W之比值W20/W為0.43<W20/W<0.49。

又，在圖5所示之實施例中，介於相鄰之中間永久磁鐵PC之中心間的間距係彼此相等，介於末端永久磁鐵P11到P14與其相鄰之中間永久磁鐵PC之間的距離和介 於末端永久磁鐵P21到P24與其相鄰之中間永久磁鐵PC之間的距離分別被定義為d₀ ，如同和先前的實施例的情況一樣。在中間永久磁鐵P2到P8中，介於兩個相鄰之中間永久磁鐵PC之中心間的間距可被定義為τ p，末端永久磁鐵P11到P14之長度W11到W14的平均長度可被定義為W10，或者，末端永久磁鐵P21到P24之長度W21到W24的平均長度可被定義為W20。然後，比值(d₀ +W10)/τ p(距離d₀ 和4個末端永久磁鐵之平均長度W10之和對間距τ p的比值)或者比值(d₀ +W20)/τ p(距離d₀ 和4個末端永久磁鐵之平均長度W20之和對間距τ p的比值)可被定義為0.6<(d₀ +W10)/τ p<0.66或0.6<(d₀ +W20)/τ p<0.66。

對於此實施例之線性電動機而言，獲得到和圖4所示之類似的測試結果。

圖6為顯示本發明之又一實施例之線性電動機的局部放大視圖。在此實施例之線性電動機中，間隔器(spacer)201係分別設置在多個永久磁鐵P1到P9的兩個相鄰永久磁鐵之間，以形成間隔200於其間。其他的組態係類似於圖2之線性電動機的組態，藉由切割由非磁性材料所做的鋁線來形成間隔器201，而鋁線具有等於間隔200之寬度的直徑。

本發明並不限於這些實施例，而是可以在不違離本發明之範疇的情況下做成各種的改變及修正。

1‧‧‧定子

3‧‧‧可移動元件

5‧‧‧鐵芯

5a‧‧‧圓筒形軛部

5b‧‧‧磁極部

7‧‧‧電樞繞組

6a‧‧‧槽

6b‧‧‧供應管

6c‧‧‧排放管

9‧‧‧電樞

11‧‧‧基底

15‧‧‧永久磁鐵磁極列

17A‧‧‧定子固定裝置

17B‧‧‧定子固定裝置

19‧‧‧基底臺

21‧‧‧導引塊

23‧‧‧導軌

P1-P9‧‧‧永久磁鐵

115‧‧‧永久磁鐵磁極列

P11-P14,P21-P24‧‧‧末端永久磁鐵

PC‧‧‧中間永久磁鐵

201‧‧‧間隔器

200‧‧‧間隔

圖1係依據本發明之一實施例之線性電動機的剖面視圖；圖2係圖1之局部放大視圖；圖3係顯示在此測試中所使用之線性電動機之齒隙轉矩與比值W1/W間之關係的圖表；圖4係顯示針對本發明之可移動元件以及針對比較例之線性電動機，介於齒隙轉矩與位移間之關係的圖表，其中，在這些線性電動機中，比值W1/W係不同的；圖5係顯示依據本發明之另一實施例之八個永久磁鐵磁極列的分解平面視圖；以及圖6係顯示依據本發明之又一實施例之線性電動機的局部放大視圖。

1‧‧‧定子

3‧‧‧可移動元件

5‧‧‧鐵芯

5a‧‧‧圓筒形軛部

5b‧‧‧磁極部

7‧‧‧電樞繞組

6a‧‧‧槽

6b‧‧‧供應管

6c‧‧‧排放管

9‧‧‧電樞

15‧‧‧永久磁鐵磁極列

17A‧‧‧定子固定裝置

17B‧‧‧定子固定裝置

19‧‧‧基底臺

21‧‧‧導引塊

23‧‧‧導軌

P1-P9‧‧‧永久磁鐵

Claims (8)

1. 一種線性電動機，其包含一定子及一可移動元件，包括：一電樞，係設置在該定子和該可移動元件的其中一者上，該電樞包含：一鐵芯，該鐵芯具有沿著該可移動元件之移動方向所配置的三個或更多個磁極部；及三相的電樞繞組，該三相的電樞繞組係繞著該鐵芯而纏繞，以激發該三個或更多個磁極部；以及一永久磁鐵磁極列，係設置在該定子和該可移動元件的另一者上，該永久磁鐵磁極列包含：一基底，係由磁性材料所做的；及多個永久磁鐵，係沿著該移動方向而以預定的間隔呈一列地設置於該基底上，使得北極和南極可以被交替地配置，該多個永久磁鐵面對該三個或更多個磁極部，且具有預定的間隙於其間；其中分別設置在該永久磁鐵磁極列之任一末端處之兩個永久磁鐵的每一個永久磁鐵之長度W1(如同在該移動方向上所測量到的)係小於該等剩餘之永久磁鐵的長度W(如同在該移動方向上所測量到的)；且每一相每一極之凹槽的數目為3/8(八分之三)；以 及當介於構成該電樞之該多個磁極部的兩個相鄰磁極部的中心間之間距被定義為τ s時，該永久磁鐵的該長度W被定義為W＝τ s；且該長度W1對該長度W之比值W1/W為0.43<W1/W<0.49。
2. 如申請專利範圍第1項之線性電動機，其中，由非磁性材料所做的間隔器係設置在該多個永久磁鐵的兩個相鄰永久磁鐵之間，以形成間隔於其間。
3. 如申請專利範圍第2項之線性電動機，其中，該間隔器係藉由切割線材來予以形成的。
4. 如申請專利範圍第1項之線性電動機，其中：該永久磁鐵磁極列係設置於該可移動元件上；該基底係呈圓筒或圓柱形狀，且為所有的永久磁鐵磁極列所共有；該多個永久磁鐵被固定在該基底的內圍表面上；該電樞係設置於該定子上；該定子係部分設置於該可移動元件的內部；該電樞係經由在其兩個末端處之定子固定裝置而在該移動方向上被固定於基底臺上；一導引塊係固定於該可移動元件；該導引塊係藉由設置於該基底臺上之導軌而被可滑動地支撐；以及當該導引塊滑動於該導軌上時，該可移動元件能夠相對於該定子而移動於該移動方向上。
5. 一種線性電動機，其包含一定子及一可移動元件，包括：一電樞，係設置在該定子和該可移動元件的其中一者上，該電樞包含：一鐵芯，該鐵芯具有沿著該可移動元件之移動方向所配置的三個或更多個磁極部；及三相的電樞繞組，該三相的電樞繞組係繞著該鐵芯而纏繞，以激發該三個或更多個磁極部；以及多個永久磁鐵磁極列，係設置在該定子和該可移動元件的另一者上，該等永久磁鐵磁極列各自包含：一基底，係由磁性材料所做的；及多個永久磁鐵，係沿著該移動方向而以預定的間隔呈一列地設置於該基底上，使得北極和南極可以被交替地配置，該多個永久磁鐵面對該三個或更多個磁極部，且具有預定的間隙於其間；其中該等永久磁鐵之設置在該多個永久磁鐵磁極列之其中一側末端處的多個永久磁鐵於該移動方向上所測量到之長度係彼此不同，並且設置在該一側末端處之該等永久磁鐵的平均長度被定義為W10；該等永久磁鐵之設置在該多個永久磁鐵磁極列之另一側末端處的多個永久磁鐵於該移動方向上所測量到之長度係彼此不同，並且設置在其該另一側末端處之該等永久磁 鐵的平均長度被定義為W20；該平均長度W10及該平均長度W20係小於該等剩餘之永久磁鐵的長度W(如同在該移動方向上所測量到的)；每一相每一極之凹槽的數目為3/8(八分之三)；以及當介於構成該電樞之該多個磁極部的兩個相鄰磁極部的中心間之間距被定義為τ s時，該永久磁鐵的長度W被定義為W＝τ s；該平均長度W10對該長度W之比值W10/W為0.43<W10/W<0.49；且該平均長度W20對該長度W之比值W20/W為0.43<W20/W<0.49。
6. 如申請專利範圍第5項之線性電動機，其中，由非磁性材料所做的間隔器係設置在該多個永久磁鐵的兩個相鄰永久磁鐵之間，以形成間隔於其間。
7. 如申請專利範圍第6項之線性電動機，其中，該間隔器係藉由切割線材來予以形成的。
8. 如申請專利範圍第5項之線性電動機，其中：該等永久磁鐵磁極列係設置於該可移動元件上；該基底係呈圓筒或圓柱形狀，且為所有的永久磁鐵磁極列所共有；該多個永久磁鐵被固定在該基底的內圍表面上；該電樞係設置於該定子上；該定子係部分設置於該可移動元件的內部；該電樞係經由在其兩個末端處之定子固定裝置而在該 移動方向上被固定於基底臺上；一導引塊係固定於該可移動元件；該導引塊係藉由設置於該基底臺上之導軌而被可滑動地支撐；以及當該導引塊滑動於該導軌上時，該可移動元件能夠相對於該定子而移動於該移動方向上。