TWI612753B

TWI612753B - 線性馬達

Info

Publication number: TWI612753B
Application number: TW105109989A
Authority: TW
Inventors: 武富正喜; 角谷修; 高木吉崇
Original assignee: 日立金屬股份有限公司; 新川股份有限公司
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2018-01-21
Also published as: CN107534379A; TW201707346A; KR20170120150A; CN107534379B; JPWO2016159034A1; US20180069464A1; KR101975692B1; JP6269895B2; DE112016001548T5; WO2016159034A1; US10700585B2

Abstract

提供維持例如推進力之線性馬達特性的同時不增加槽但可延長有效行程的線性馬達用轉子等。線性馬達用轉子包括矩形板狀之基板部；複數個磁極齒，並列設置於該基板部並由線圈捲繞；以及輔助齒，自上述磁極齒有間隔地設置於該基板部的上述並列設置方向的端部且沒有線圈捲繞。

Description

線性馬達

本發明係關於線性馬達用轉子以及包括該轉子之線性馬達。

半導體製造裝置、液晶顯示基板製造裝置中，需要在垂直於重力方向之面內低振動地精確移動加工對象物。藉由可在正交配置之線性導件(linear guide)上各別移動的驅動源，移動載置加工對象物或加工工具的工作台(table)。此移動需要低振動下的高精確度。因此，用於一般加工機械之旋轉型馬達的輸出以滾珠螺桿(ball screw)變成直線運動的方式不被採用為驅動源。能直接平行移動的線性馬達係用作驅動源。

作為線性馬達的一般構成，係組合配置複數個永久磁石為交替改變極性而作為動子(或定子)的場磁部以及具有包含複數個磁極齒之軟磁性體所形成之軸心和捲繞至磁極齒之線圈而作為定子(或動子)的轉子。此場磁部以及轉子係以兩者間分隔既定距離的方式對向配置。藉由將極性和大小與相對於場磁部之場磁週期的移動距離同步的交流電流施加於線圈，由與永久磁石之間的吸引排斥力產生移動方向上的推力。然後，場磁部(或轉子)係相對於轉子(或場磁部)直線運動。作為形成如此構成的線性馬達，已經有提出各種類型。舉例而言，專利文獻 1中記載場磁部作為定子且轉子作為動子的線性馬達。

【先前技術文獻】【專利文獻】

專利文獻1日本特開2008-125322號公報

另一方面，在轉子為定子、場磁部為動子的動磁型線性馬達中，動子的有效行程(可動範圍的長度)為從定子之總長度減去動子之總長度所得之值以下。在這樣的線性馬達中，為了延長有效行程，有必要縮短動子之總長度或延長定子之總長度。但是，若延長定子，其長度不可為任意值。為維持線性馬達的特性，有必要每既定單位地延長。舉例而言，在7極6槽(slot)之動磁型線性馬達的情況中，定子有必要以6槽為單位延長。

另外，即使在每既定單位延長的情況中，為允許以較短之距離單位延長，預先更窄地定義磁石之節距(pitch)與線圈之節距的設計為必要的。因此，會招致部件數量、作業工時的增加。如此一來，存在有不每單位槽地延長定子(轉子)但欲實現有效行程之延長的需求。

本發明係鑑於上述如此情形而創作，其目的為提供不增加槽但可延長有效行程的線性馬達用轉子等。

根據本發明之線性馬達用轉子包括：矩形板狀之基板部；複數個磁極齒，並列設置於該基板部並由線圈捲繞；以及輔助齒，自磁極齒有間隔地設置於該基板部的並列設置方向的端部且沒有線圈捲繞。

根據本發明，由於在端部提供沒有捲繞線圈的輔助齒，藉由轉子僅延長設置輔助齒的份量，可延長線性馬達的有效行程。

根據本發明之線性馬達用轉子，其中，輔助齒及相鄰連接至該輔助齒之磁極齒的間隔，與相鄰連接之2個磁極齒的間隔實質上相同。

根據本發明，在延長有效行程的部分中，可最小化推力的降低。

根據本發明之線性馬達用轉子，其中，輔助齒與磁極齒實質上為相同形狀。

根據本發明，由於輔助齒與磁極齒實質上為相同形狀，藉由共通部件可減少部件數量。

根據本發明之線性馬達用轉子，其中，輔助齒及磁極齒為長方體狀，輔助齒及相鄰連接至該輔助齒之磁極齒以並列設置方向正對。

根據本發明，由於輔助齒與磁極齒為相同形狀，可貢獻推力的產生。

根據本發明之線性馬達用轉子，其中，輔助齒及磁極齒其頂端部比根部大，輔助齒及相鄰連接至該輔助齒之磁極齒以並列設置方向正對。

根據本發明，由於輔助齒及磁極齒其頂端部比根部大，可提升磁通量的傳達效率。

根據本發明之線性馬達用轉子，其中，輔助齒及磁極齒各自的頂端面為齊平。

根據本發明，輔助齒由於與磁極齒頂端面齊平，可如同磁極齒一樣在其與定子之間流通磁通量。

根據本發明之線性馬達用轉子，其中，在並列設置方向的兩端部各自包括輔助齒。

根據本發明，由於在磁極齒之並列設置方向的兩端部設置輔助齒，可在線性馬達特性不崩壞下延長有效行程。

根據本發明之線性馬達，包括：上述記載之線性馬達用轉子；以及場磁部，具有：複數個磁石，其頂端面係對向至該線性馬達用轉子；以及背軛，一直線地排列有該複數個磁石以使磁極為交替形成。

根據本發明之線性馬達，線性馬達用轉子作為定子，場磁部作為動子。

根據本發明，由於線性馬達用轉子作為定子且場磁部作為動子，可延長動子的有效行程。

根據本發明，使有效行程的延長為可能。

1‧‧‧定子

2‧‧‧動子

11、12‧‧‧磁極齒部件

11a、12a‧‧‧基板部

11b、12b‧‧‧齒部

13‧‧‧輔助齒部件

13a‧‧‧基板部

13b‧‧‧輔助齒部

14‧‧‧線圈

21‧‧‧背軛

22a、22b‧‧‧永久磁石

100‧‧‧線性馬達

第1圖係表示線性馬達之一構成例的斜視圖。

第2A圖係表示除去線圈之定子之構成的說明圖。

第2B圖係表示除去線圈之定子之構成的說明圖。

第3圖係表示動子一構成例的平面圖。

第4圖係線性馬達的側面圖。

第5A圖係表示動子整體的平面圖。

第5B圖係放大動子一部分的平面圖。

第6圖係線性馬達的側面圖。

第7A圖係關於懸伸量的說明圖。

第7B圖係關於懸伸量的說明圖。

第8圖係除去線圈之定子之另一構成的說明圖。

以下參照圖式具體說明實施型態。第1圖係表示線性馬達100之一構成例的斜視圖。第2A圖及第2B圖係表示除去線圈14之定子1之構成的說明圖。第2A圖係表示構成定子1之部件的斜視圖。第2B圖係定子1的側面圖。線性馬達100包括於一方向形成長方體狀的定子1以及在與該定子1一部分分隔些微間隔並對向之矩形板狀之背軛(back yoke)21上並列設置永久磁石22a、22b而成之動子2。動子2係在定子1的長度方向(第1圖之箭頭方向或箭頭的反方向)上移動。本實施型態的線性馬達100，係使用轉子作為定子1而場磁部作為動子2。

定子1包括磁極齒部件11、12和輔助齒部件13。如第2A圖所示，磁極齒部件11包括矩形板狀之基板部11a、自基板部11a垂直站立並分隔既定距離的2個矩形板狀(長方體狀)之齒部11b。磁極齒部件11側視為連結2個L字而成的形狀。磁極齒部件11，相較於其動子2之移動方向(第2A圖的左右方向)上的尺寸(Wt+Wd+Wt+Wd)，其與上述方向相交之方向(第2A圖的深度方向)上的尺寸(d)更大。2個齒部11b在並列設置方向上的間隙尺寸(Wd)比齒部11b的厚度(第2圖之左右方向的尺寸Wt)更寬。齒部11b的凸出長度(h)比間隙尺寸(Wd)以及厚度(Wt)更大。基板部11a的厚度與齒部11b的厚度相同。

磁極齒部件12包括自矩形板狀之基板部12a的兩端部分垂直站立的2個矩形板狀(長方體狀)之齒部12b。磁極齒部件12側視為U字狀。磁極齒部件12，其動子2之移動方向上的尺寸為Wt+Wd+Wt。每個齒部12b的厚度為Wt，自基板部12a的凸出長度為h。磁極齒部件12的深度尺寸為d。基板部12a的厚度與齒部12b的厚度(Wt)相同。

輔助齒部件13包括自矩形板狀之基板部13a的一端垂直站立的矩形板狀(長方體狀)之輔助齒部13b。輔助齒部件13側視為L字狀。輔助齒部件13，其動子2之移動方向上的尺寸為Wt+Wd。輔助齒部13b的厚度為Wt，自基板部13a的凸出長度為h。輔助齒部件13的深度尺寸為d。基板部13a的厚度與輔助齒部13b的厚度(Wt)相同。輔助齒部13b具有與齒部11b、12b實質上相同的形狀。

第1圖中，8個磁極齒部件11、1個磁極齒部件12、2個輔助齒部件13係包含於定子1。定子1之構成如下所述。相鄰連接的8個磁極齒部件11係以等間隔(Wd)並列齒部11b的方式結合。在結合而成者的長度方向的一端，即，在基板部11a於動子2之移動方向凸出的一側，結合磁極齒部件12以使齒部12b與齒部11b平行。

此外，定子1係構成為分別固定輔助齒部件13於其長度方向之兩端部分並結合齒部11b與12b。並且，齒部11b、12b和輔助齒部13b，其高度方向之頂端面齊平地沿著定子1之長度方向以既定間隔並列設置。輔助齒部13b係以並列設置之方向與相鄰連接之齒部11b、12b正對。此外，分別將導線捲繞至齒部11b、12b，分別形成對應的線圈14、14。構成各線圈14之導線的厚度、匝數皆相同。齒部11b、12b藉由使電流流至所分別捲繞的線圈14、14而作用為磁極齒。構成定子1之磁極齒部件11、12以及輔助齒部件13，舉例而言，係由無方向性電磁鋼板形成。另外，輔助齒部13b相當於上述的輔助齒。

第3圖係表示動子2之一構成例的平面圖。第3圖為從定子1之對向面側看動子2而得的圖。動子2包括在矩形板狀之背軛21上於移動方向交替配置(排列)的複數個永久磁石22a、22b。永久磁石22a、22b係磁化為與定子1對向之方向。永久磁石22a、22b彼此極性相反。相鄰連接之永久磁石22a、22b的中心之間的距離(磁石節距)為P_M。永久磁石22a、22b係相對於移動方向傾斜約3度地配置(偏斜配置)。定子1的背軛21由軟磁性金屬例如軋鋼材形成。永久磁石22a、22b為銣磁石、鐵酸鹽磁石、釤鈷磁石等。

組合上述構成之定子1以及動子2以構成線性馬達100。第4圖係線性馬達100的側面圖。動子2，以永久磁石22a、22b透過既定間隙面對定子1之齒部11b、12b之頂端面的方式，與定子1對向。動子2所提供的7對永久磁石22a(22b)係與定子1所提供的齒部11b(12b)6對對向。意即，線性馬達 100基本上構成7極6槽。

將三相交流通電至定子1的線圈14以在齒部11b(12b)產生磁場，動子2的永久磁石22a、22b依序與此磁場磁氣吸引排斥，藉此，動子2相對於定子2進行直線運動。

接著，說明輔助齒部13b。輔助齒部13b分別在定子1之兩端部分與齒部11b(12b)同樣地形成。意即，輔助齒部13b的厚度為Wt，與相鄰連接之齒部11b(12b)間的距離為Wd。

厚度Wt、距離Wd係如下列所述決定。由於線性馬達100為7極6槽的構成，當永久磁石22a、22b的節距為P_M時，定子1之齒部11b(12b)的節距Pt為Pt=P_M×7/6。求得Pt之後，考慮捲繞至齒部11b(12b)之線圈14的捲厚以決定齒部11b(12b)的厚度Wt。根據所決定之厚度Wt，相鄰齒部11b(12b)的距離Wd係根據Wd=Pt-Wt決定。另外，如後所述，在考慮永久磁石22a、22b之偏斜的情況下，Wd=Pt1-Wt。

接著，說明線性馬達100中定子1以及動子2的長度。第5A圖係表示動子2整體的平面圖。第5B圖係放大動子2一部分的平面圖。第5A、5B圖係表示動子2之一構成例的平面圖。第5A、5B圖表示7極6槽之最小構成的動子2。另外，在第5B圖中為協助理解，有增大θ的值。第5A、5B圖中皆以紙面的左右方向為動子2的移動方向。動子2所具有的永久磁石22a、22b係傾斜角度θ地配置。傾斜永久磁石22a、22b以使其相對於與動子2之移動方向相交之方向(第5圖的紙面上下方向)的角度為角度θ。意即，作為角度θ的傾斜配置。永久磁石22a、22b的寬度為L0。永久磁石22a、22b的移動方向之長度為L1。L1與L0之間的關係為L1=L0/cosθ。在此，永久磁石22a、22b各自的大小為相同。因此，永久磁石22a、22b的移動方向之長度L1與節距P_M相同。即L1=P_M。

第6圖係線性馬達100的側面圖。第6圖亦表示7極6槽之最小構成的定子1。上述Pt與P_M之間的關係為不考慮永久磁石之偏斜的情況，意即，θ為0度之情況。當偏斜永久磁石時永久磁石的節距增加。對應於此增加，齒部間的節距亦有變化。當齒部11b、12b和輔助齒部13b對應至偏斜的節距為Pt1時，Pt1=Pt/cosθ。輔助齒部13b的厚度為Wt。沿動子2之移動方向的定子1之全長Ls為Ls=Pt1×6+Pt1+Wt。另外，動子2包括合計7個永久磁石22a、22b。磁石部分之全長Lm為Lm=L1×7=P_M×7。再者，從上述節距和Pt與P_M之間的關係，Lm=P_M×7=Pt1×6/7×7=Pt1×6。

總結以上。齒部11b、12b和輔助齒部13b的寬度為Wt。齒部11b、12b和輔助齒部13b對應至磁石偏斜的節距為Pt1。定子1之全長為Ls。動子2磁石部分之全長為Lm。這些值的關係如以下所示。

Ls=Pt1×6+Pt1+Wt Lm=Pt1×6 Ls-Lm=Pt1+Wt

因此，在7極6槽之最小構成的線性馬達100中，定子1之全長Ls比動子2磁石部分之全長Lm更長Pt1+Wt以上。

在第6圖所示之7極6槽之最小構成的線性馬達100中增大行程的情況係如下列所述。作為線性馬達100之控制，若容許3相不平衡通電，藉由一次增加正反2槽(例如，-U相與U相)，在大致維持馬達特性的同時，可增大行程。

作為線性馬達100之控制，若進行3相平行通電，有必要U相、V相、W相皆為正反之一對。意即，以6槽為單位增加。如此一來，在維持馬達特性的同時，可增大行程。

另外，雖然在此表示7極6槽構成，但在其2倍之14極12槽構成、3倍之21極18槽構成、n倍之7n極6n槽構成中皆為相同。即使是n倍，Ls與Lm之差仍為Pt1+Wt。

第4圖所示之線性馬達100為7極6槽之2倍的14極12槽構成。然後，定子1之槽增加6槽而成為18槽。在此，本發明的線性馬達是對於7極的永久磁石22a、22b(磁石)具有6槽的齒部11b、12b(磁極齒)的構成，在本構成下驅動。比較移動方向的永久磁石22a、22b的寬度與包含6槽的齒部11b、12b的定子(轉子)的情況下，考慮這個基本構成即可。例如，與7n個磁石對向的齒部11b、12b的個數是6m個(m是滿足m≧n的自然數)的情況下，以將動子2做n分割，將定子1做m分割所得的7極6槽構造來進行比較。也就是說，具有6m/m=6個的齒部11b、12b以及在移動方向的兩端的輔助齒部13b的定子的長度，會比7n/n=7個的永久磁石22a、22b的移動方向的長度長Pt1+Wt即可。又，如果著眼於定子1的兩端部的話，1個輔助齒13b及與其鄰接的6個齒部11b、12b所合起起來的長度(沿著動子2的移動方向的長度)比7個永久磁石22a、22b的長度長(Pt1+Wt)/2即可。

說明在如以上所示形成之線性馬達100中懸伸(overhang)量的容許值。在此，懸伸意指動子2之前端從定子1凸出。外伸量意指不與定子1之齒部11b(12b)對向的動子2之永久磁石22a、22b的移動方向長度。在有懸伸的情況中，由於動子2之永久磁石22a、22b的一部分不與齒部11b(12b)對向，推力會下降。

第7A圖及第7B圖係關於懸伸量的說明圖。第7A圖表示沒有輔助齒部13b之情況中所容許的懸伸量(d1)。第7B圖表示設有輔助齒部13b之情況中所容許的懸伸量(d2)。在此，容許的懸伸量意指推力得到與穩定狀態基本相同之值的範圍。如比較第7A圖與第7B圖所顯見，藉由輔助齒部13b，容許的懸伸量延長。這是因為，藉由設置輔助齒部13b，由端部效果吸收磁通量，減低拉回力(與推力對向的力)，因此不會產生推力的降低。

如上所述，本實施型態會達到下述效果。藉由在定子1設置輔助齒部13b，在不產生推力降低下，延長動子2之有效行程成為可能。

另外，齒部11b、12b之形狀並不限於上述者。第8圖係除去線圈14之定子1之另一構成的說明圖。第8圖與第2B圖一樣是定子1的側面圖。第8圖所示之磁極齒部件11、12的齒部11b、12b的高度方向的上部頂端(頂端部)為比基板部11a、12a的根部更寬的反錐形形狀。另外，輔助齒部13b亦與齒部11b、齒部12b同樣有反錐形形狀的上部頂端。當齒部11b、12b的高度方向的上部頂端為反錐形形狀時，磁通量的傳達效率可更提升。

另外，定子1的構成並不限於上述者。亦可基板部11a、12a、13a以單一板構成而齒部11b、12b和輔助齒部13b藉由固定螺絲或熔接固定。另外，亦可藉由從塊狀部材削出齒部11b、12b和輔助齒部13b而形成。

並且，在上述實施型態中，雖然轉子為定子1而場磁部為動子2，但亦可轉子為動子而場磁部為定子。

各實施例所記載之技術特徵(構成要件)可互相組合，藉由組合可形成新的技術特徵。此次揭示之實施型態在所有方面皆為示例性，應理解為沒有限制性。本發明之範圍並非上述意涵，而是由申請專利範圍所示，意圖包括與申請專利範圍均等的意涵以及範圍內的所有變更。