TWI636641B - Linear motor - Google Patents

Abstract

一種線性馬達包含一磁鐵座、一磁鐵單元、一線圈座、一線圈單元及一輸電單元。該磁鐵單元設置於該磁鐵座並包括複數磁鐵組。每一磁鐵組具有二磁鐵。定義複數分別對應該等磁鐵組的磁鐵連心線，每一磁鐵連心線通過各自的磁鐵組的該等磁鐵的幾何中心，每一磁鐵連心線為一直線或一轉折線。該線圈單元設置於該線圈座並包括複數線圈組。每一線圈組具有二線圈。定義複數分別對應該等線圈組的線圈連心線，每一線圈連心線通過各自的線圈組的該等線圈的幾何中心，每一線圈連心線為一直線或一轉折線。本發明的設計能有效降低馬達運作時的頓力。

Description

線性馬達

本發明是有關於一種馬達，特別是指一種低頓力的線性馬達。

參閱圖1，為現有的一種線性馬達1（linear motor），該線性馬達1包括一延伸於一第一方向X的磁鐵座11、複數沿該第一方向X設置於該磁鐵座11的磁鐵組12、一線圈座13，及複數沿該第一方向X設置於該線圈座13的線圈組14。其中，該磁鐵座11與該磁鐵組12為該線性馬達1的定子（stator），該線圈座13與該線圈組14為該線性馬達1的動子（forcer）。

該磁鐵座11具有二在一垂直於該第一方向X的第二方向Y上互相間隔的磁鐵設置部15，每一磁鐵組12具有二分別設置於該等磁鐵設置部15且在該第二方向Y上互相對齊的磁鐵16。該線圈座13具有二在該第二方向Y上互相連接且位於該等磁鐵設置部15之間的線圈設置部17，及複數設置於該等線圈設置部17且分別對應該等線圈組14的槽齒組18，每一線圈組14具有二分別設置於該等線圈設置部17且在該第二方向Y上互相對齊的線圈19，每一槽齒組18具有二分別自該等線圈設置部17沿該第二方向Y延伸的槽齒181，每一線圈組14的該等線圈19分別繞設於對應的槽齒組18的該等槽齒181。

每一磁鐵組12的該等磁鐵16之間沿該第二方向Y恆形成有磁場，當該等線圈組14上有電流通過時，該等線圈組14即受到沿該第一方向X作用的推力（continuous force）而被推動，進而帶動該線圈座13沿該第一方向X移動。為了使磁力線集中於該等線圈19的中心部位以強化推力的作用，該等槽齒181通常會以導磁性材料（例如：鐵心）製作而成。

然而，當該線圈座13在該等磁鐵16之間移動時，由於該等槽齒181與該等磁鐵16之間的相對位置會不斷改變，若任一槽齒181與任一磁鐵16的位置剛好對準，彼此會感受到最大的吸（斥）力，因而使該線圈座13在該等磁鐵16之間的移動突然減緩或瞬間加速。此種吸（斥）力即為該線性馬達1主要的頓力（cogging force）來源，會造成該線性馬達1的推力隨時間變化的曲線明顯帶有類似漣波起伏的特徵，表示該線圈座13實際上並無法平順地移動，進而導致該線性馬達1動力輸出的穩定性降低。

此外，由於該線性馬達1的每一磁鐵組12的該等磁鐵16及每一槽齒組18的該等槽齒181都是對稱設置，所以當任一槽齒組18的其中一槽齒181與任一磁鐵組12的其中一磁鐵16對準時，也就表示該任一槽齒組18的另一槽齒181也正對準該任一磁鐵組12的另一磁鐵16，因而使作用於該線圈座13的頓力加劇，最高甚至能達到將近十分之一的平均推力大小，嚴重影響該線性馬達1控制動子位置的精確度。

因此，本發明的目的，即在提供一種低頓力的線性馬達。

於是，本發明線性馬達包含一磁鐵座、一磁鐵單元、一線圈座、一線圈單元及一輸電單元。

該磁鐵單元設置於該磁鐵座，並包括複數沿一第一方向排列的磁鐵組。定義一與該第一方向平行的平面，每一磁鐵組具有二分別位於該平面的兩側的磁鐵。每一磁鐵具有一指北極，及一指南極。每一磁鐵組的其中一磁鐵的指北極與另一磁鐵的指南極分別朝向該平面。任兩個位在該平面的同側且互相鄰近的磁鐵分別是以該指北極與該指南極朝向該平面。

定義複數分別對應該等磁鐵組的磁鐵連心線，每一磁鐵連心線通過各自的磁鐵組的該等磁鐵的幾何中心，每一磁鐵連心線為一直線及一轉折線的其中一者。

該線圈座鄰近該磁鐵座。

該線圈單元設置於該線圈座，並包括複數沿該第一方向排列的線圈組。每一線圈組具有二分別位於該平面的兩側的線圈。

定義複數分別對應該等線圈組的線圈連心線，每一線圈連心線通過各自的線圈組的該等線圈的幾何中心，每一線圈圍繞各自的線圈連心線並界定出一磁通空間。每一線圈連心線為一直線及一轉折線的其中一者。當該等磁鐵連心線分別為複數直線時，該等線圈連心線分別為複數轉折線，當該等磁鐵連心線分別為複數轉折線時，該等線圈連心線分別為複數直線。

該輸電單元電連接所有線圈。

本發明的功效在於：利用每一磁鐵連心線及每一線圈連心線分別為一直線及一轉折線的其中一者，且更進一步地，若該等磁鐵連心線為直線時，該等線圈連心線為轉折線，但若該等磁鐵連心線為轉折線時，該等線圈連心線則為直線，也就是令該磁鐵單元與該線圈單元的其中一者為不對稱設置，因而讓任一線圈組的該等線圈不會同時對準任一磁鐵組的該等磁鐵，所以能大幅降低頓力作用的強度且有效改善推力的漣波特徵，進而提升輸出動力的穩定性與位置控制的精確度。

在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，為本發明線性馬達的一第一實施例，該線性馬達包含一磁鐵座2、一磁鐵單元3、一線圈座4、一線圈單元5，及一輸電單元6。

在本第一實施例中，該磁鐵座2與該磁鐵單元3為該線性馬達的定子，該線圈座4與該線圈單元5為該線性馬達的動子，但不限於此。此外，該磁鐵座2包括二沿一第一方向X延伸且在一垂直於該第一方向X的第二方向Y上互相間隔的磁鐵設置部21。

該磁鐵單元3設置於該磁鐵座2，並包括複數沿該第一方向X排列的磁鐵組31。定義一與該第一方向X平行的平面P，每一磁鐵組31具有二分別位於該平面P的兩側的磁鐵311。該等磁鐵設置部21分別位於該平面P的兩側，每一磁鐵組31的該等磁鐵311分別設置於該等磁鐵設置部21。每一磁鐵311具有一指北極N，及一指南極S。每一磁鐵組31的其中一磁鐵311的指北極N與另一磁鐵311的指南極S分別朝向該平面P。任兩個位在該平面P的同側且互相鄰近的磁鐵311分別是以該指北極N與該指南極S朝向該平面P。

定義複數分別對應該等磁鐵組31的磁鐵連心線L3，每一磁鐵連心線L3通過各自的磁鐵組31的該等磁鐵311的幾何中心，並具有二分別通過各自的磁鐵組31的該等磁鐵311的幾何中心的磁穿段L31，及一連接於該等磁穿段L31之間的磁間段L32。在本第一實施例中，該等磁鐵連心線L3分別為複數直線，該等磁穿段L31及該等磁間段L32與該第二方向Y平行，也就是說，每一磁鐵組31的該等磁鐵311在該第二方向Y上是互相對齊的。

該線圈座4鄰近該磁鐵座2。在本第一實施例中，該線圈座4包括二沿該第一方向X延伸且在該第二方向Y上互相連接並分別位於該平面P的兩側的線圈設置部41，及複數沿該第一方向X間隔設置於該等線圈設置部41的槽齒組42。該等線圈設置部41位於該等磁鐵設置部21之間。每一槽齒組42具有二分別自該等線圈設置部41沿該第二方向Y延伸的槽齒421。

該線圈單元5設置於該線圈座4，並包括複數沿該第一方向X排列的線圈組51。每一線圈組51具有二分別位於該平面P的兩側的線圈511。每一線圈組51的該等線圈511分別設置於該等線圈設置部41，該等磁鐵311與該等線圈511位於該等磁鐵設置部21與該等線圈設置部41之間。該等槽齒組42分別對應該等線圈組51，每一線圈組51的該等線圈511分別繞設於對應的槽齒組42的該等槽齒421。

定義複數分別對應該等線圈組51的線圈連心線L5，每一線圈連心線L5通過各自的線圈組51的該等線圈511的幾何中心，並具有二分別通過各自的線圈組51的該等線圈511的幾何中心的線穿段L51，及一連接於該等線穿段L51之間的線間段L52。每一線圈511圍繞各自的線圈連心線L5並界定出一磁通空間512。在本第一實施例中，該等線圈連心線L5分別為複數轉折線，該等線穿段L51與該第二方向Y平行且該等線間段L52與該第一方向X平行，也就是說，每一線圈組51的該等線圈511在該第二方向Y上是互相錯開而不對齊的。

定義任兩個位在該平面P的同側且互相鄰近的磁穿段L31在該第一方向X上間隔的距離為一極距D3。定義任兩個位在該平面P的同側且互相鄰近的線穿段L51在該第一方向X上間隔的距離為一線距D5。在本第一實施例中，每一線間段L52的長度不小於六分之一的該極距D3且不大於六分之五的該極距D3，其中，一種較佳的實施態樣是，每一線間段L52的長度等於二分之一的該極距D3。

該輸電單元6電連接所有線圈511。在本第一實施例中，該輸電單元6包括一其中一端電連接所有線圈511而另一端電連接一控制電源（圖未示）的複合電纜61（composite cable），但不以此為限。

參閱圖3與圖4，波形91與波形92分別為本發明線性馬達與現有的線性馬達的推力大小隨時間的變化，波形93與波形94則分別為該線性馬達與現有的線性馬達的頓力大小隨時間的變化，其中，該線性馬達與現有的線性馬達的平均推力分別為213 N及215 N，相差無幾，但反觀該線性馬達與現有的線性馬達的最大頓力卻分別為4.78 N及19.06 N，該線性馬達相較於現有的線性馬達的最大頓力減少達75%。

此外，該線性馬達與現有的線性馬達的頓力的均方根值（root mean square, RMS）分別為2.34 N及12.6 N，由此可知該線性馬達與現有的線性馬達的漣波百分比（頓力的均方根值除以平均推力）分別為1.1%及5.86%，該線性馬達的推力輸出相較於現有的線性馬達明顯平穩許多。

經由以上的說明，再將本發明的優點歸納如下：

一、本發明利用每一磁鐵連心線L3為一直線且每一線圈連心線L5為一轉折線，也就是令該磁鐵單元3為對稱設置而該線圈單元5為不對稱設置，讓任一線圈組51的該等線圈511並不會同時對準任一磁鐵組31的該等磁鐵311，相較於現有的線性馬達，本發明能大幅降低作用於動子的頓力，且能有效改善推力的漣波起伏特徵，進而提升推力輸出的穩定性而使動子能平順地移動，除了能減少磨損、延長馬達壽命，也能進一步增加動子位置控制的精確度。

二、本發明藉由每一線間段L52的長度介於六分之一的該極距D3至六分之五的該極距D3之間，特別是在每一線間段L52的長度等於二分之一的該極距D3的條件下，相較於現有的線性馬達，本發明利用頓力大小隨動子位置移動時的變化明顯具有週期性的特徵，讓每一線圈組51的該等線圈511互相錯開約半個頓力發生的週期，能使發生於該平面P兩側的頓力因作用方向相反而互相抵銷，有效抑制頓力對推力產生的影響。

參閱圖5，為本發明的一第二實施例，該第二實施例是類似於該第一實施例。該第二實施例與該第一實施例的差異在於：

在本第二實施例中，該等磁鐵連心線L3分別為複數轉折線，該等磁穿段L31與該第二方向Y平行且該等磁間段L32與該第一方向X平行，也就是說，每一磁鐵組31的該等磁鐵311在該第二方向Y上是互相錯開而不對齊的。

該等線圈連心線L5分別為複數直線，該等線穿段L51及該等線間段L52與該第二方向Y平行，也就是說，每一線圈組51的該等線圈511在該第二方向Y上是互相對齊的。

每一磁間段L32的長度不小於六分之一的該線距D5且不大於六分之五的該線距D5，其中，一種較佳的實施態樣是，每一磁間段L32的長度等於二分之一的該線距D5。

如此，該第二實施例除了能達到與上述該第一實施例相同的目的與功效之外，由於該線圈座4是呈對稱結構，該線圈座4的模具開設相對較容易，因此該第二實施例具有製作成本較低的優點。

參閱圖6，為本發明的一第三實施例，該第三實施例是類似於該第一實施例。該第三實施例與該第一實施例的差異在於：

在本第三實施例中，該磁鐵座2與該磁鐵單元3為該線性馬達的動子，該線圈座4與該線圈單元5為該線性馬達的定子，但不限於此。

該磁鐵座2包括二沿該第一方向X延伸且在該第二方向Y上互相連接並分別位於該平面P的兩側的磁鐵設置部21。每一磁鐵組31的該等磁鐵311分別設置於該等磁鐵設置部21。

該等磁鐵連心線L3分別為複數直線，該等磁穿段L31及該等磁間段L32與該第二方向Y平行，也就是說，每一磁鐵組31的該等磁鐵311在該第二方向Y上是互相對齊的。

該線圈座4包括二沿該第一方向X延伸且在該第二方向Y上互相間隔並分別位於該平面P的兩側的線圈設置部41，及複數沿該第一方向X間隔設置於該等線圈設置部41的槽齒組42。該等磁鐵設置部21位於該等線圈設置部41之間。每一槽齒組42具有二分別自該等線圈設置部41沿該第二方向Y延伸的槽齒421。

每一線圈組51的該等線圈511分別設置於該等線圈設置部41。該等磁鐵311與該等線圈511位於該等磁鐵設置部21與該等線圈設置部41之間。該等槽齒組42分別對應該等線圈組51，每一線圈組51的該等線圈511分別繞設於對應的槽齒組42的該等槽齒421。

該等線圈連心線L5分別為複數轉折線，該等線穿段L51與該第二方向Y平行且該等線間段L52與該第一方向X平行，也就是說，每一線圈組51的該等線圈511在該第二方向Y上是互相錯開而不對齊的。

每一線間段L52的長度不小於六分之一的該極距D3且不大於六分之五的該極距D3，其中，一種較佳的實施態樣是，每一線間段L52的長度等於二分之一的該極距D3。

該輸電單元6包括二分別電連接位於該平面P兩側的線圈511的複合電纜61，但不以此為限。

如此，該第三實施例除了能達到與上述該第一實施例相同的目的與功效之外，由於該第三實施例的動子是該磁鐵座2與該磁鐵單元3，因而使動子具有重量輕、無出線（outlet）問題、無散熱問題、磁鐵311貼設容易及模具開設簡單等優點。

參閱圖7，為本發明的一第四實施例，該第四實施例是類似於該第三實施例。該第四實施例與該第三實施例的差異在於：

在本第四實施例中，該等磁鐵連心線L3分別為複數轉折線，該等磁穿段L31與該第二方向Y平行且該等磁間段L32與該第一方向X平行，也就是說，每一磁鐵組31的該等磁鐵311在該第二方向Y上是互相錯開而不對齊的。

該等線圈連心線L5分別為複數直線，該等線穿段L51及該等線間段L52與該第二方向Y平行，也就是說，每一線圈組51的該等線圈511在該第二方向Y上是互相對齊的。

每一磁間段L32的長度不小於六分之一的該線距D5且不大於六分之五的該線距D5，其中，一種較佳的實施態樣是，每一磁間段L32的長度等於二分之一的該線距D5。

如此，該第四實施例除了能達到與上述該第三實施例相同的目的與功效之外，該第四實施例提供了另一種不同於該第三實施例的實施方案，可視運作條件或環境需求而供選擇。

綜上所述，本發明線性馬達不僅能大幅降低作用於動子的頓力，還能有效提升推力輸出的穩定性，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

2‧‧‧磁鐵座
21‧‧‧磁鐵設置部
3‧‧‧磁鐵單元
31‧‧‧磁鐵組
311‧‧‧磁鐵
4‧‧‧線圈座
41‧‧‧線圈設置部
42‧‧‧槽齒組
421‧‧‧槽齒
5‧‧‧線圈單元
51‧‧‧線圈組
511‧‧‧線圈
512‧‧‧磁通空間
6‧‧‧輸電單元
61‧‧‧複合電纜
91‧‧‧波形
92‧‧‧波形
93‧‧‧波形
94‧‧‧波形
D3‧‧‧極距
D5‧‧‧線距
L3‧‧‧磁鐵連心線
L31‧‧‧磁穿段
L32‧‧‧磁間段
L5‧‧‧線圈連心線
L51‧‧‧線穿段
L52‧‧‧線間段
N‧‧‧指北極
P‧‧‧平面
S‧‧‧指南極
X‧‧‧第一方向
Y‧‧‧第一方向

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是現有的一種線性馬達的一示意圖； 圖2是本發明線性馬達的一第一實施例的一示意圖； 圖3是一實驗量測圖，說明該第一實施例與現有的線性馬達於運作時的推力大小隨時間變化的比較結果； 圖4是一實驗量測圖，說明該第一實施例與現有的線性馬達於運作時的頓力大小隨時間變化的比較結果； 圖5是本發明線性馬達的一第二實施例的一示意圖； 圖6是本發明線性馬達的一第三實施例的一示意圖；及 圖7是本發明線性馬達的一第四實施例的一示意圖。

Claims (8)

1. 一種線性馬達，包含： 一磁鐵座； 一磁鐵單元，設置於該磁鐵座，並包括複數沿一第一方向排列的磁鐵組，定義一與該第一方向平行的平面，每一磁鐵組具有二分別位於該平面的兩側的磁鐵，每一磁鐵具有一指北極，及一指南極，每一磁鐵組的其中一磁鐵的指北極與另一磁鐵的指南極分別朝向該平面，任兩個位在該平面的同側且互相鄰近的磁鐵分別是以該指北極與該指南極朝向該平面，定義複數分別對應該等磁鐵組的磁鐵連心線，每一磁鐵連心線通過各自的磁鐵組的該等磁鐵的幾何中心，每一磁鐵連心線為一直線及一轉折線的其中一者； 一線圈座，鄰近該磁鐵座； 一線圈單元，設置於該線圈座，並包括複數沿該第一方向排列的線圈組，每一線圈組具有二分別位於該平面的兩側的線圈，定義複數分別對應該等線圈組的線圈連心線，每一線圈連心線通過各自的線圈組的該等線圈的幾何中心，每一線圈圍繞各自的線圈連心線並界定出一磁通空間，每一線圈連心線為一直線及一轉折線的其中一者，當該等磁鐵連心線分別為複數直線時，該等線圈連心線分別為複數轉折線，當該等磁鐵連心線分別為複數轉折線時，該等線圈連心線分別為複數直線；及 一輸電單元，電連接所有線圈。
2. 如請求項1所述的線性馬達，其中，每一磁鐵連心線具有二分別通過各自的磁鐵組的該等磁鐵的幾何中心的磁穿段，及一連接於該等磁穿段之間的磁間段，當該等磁鐵連心線分別為複數直線時，該等磁穿段及該等磁間段與一垂直於該第一方向的第二方向平行，當該等磁鐵連心線分別為複數轉折線時，該等磁穿段與該第二方向平行且該等磁間段與該第一方向平行，每一線圈連心線具有二分別通過各自的線圈組的該等線圈的幾何中心的線穿段，及一連接於該等線穿段之間的線間段，當該等線圈連心線分別為複數直線時，該等線穿段及該等線間段與該第二方向平行，當該等線圈連心線分別為複數轉折線時，該等線穿段與該第二方向平行且該等線間段與該第一方向平行。
3. 如請求項2所述的線性馬達，其中，該等磁鐵連心線分別為複數直線，該等線圈連心線分別為複數轉折線，該磁鐵座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相間隔並分別位於該平面的兩側的磁鐵設置部，每一磁鐵組的該等磁鐵分別設置於該等磁鐵設置部，該線圈座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相連接並分別位於該平面的兩側的線圈設置部，每一線圈組的該等線圈分別設置於該等線圈設置部，該等線圈設置部位於該等磁鐵設置部之間，該等磁鐵與該等線圈位於該等磁鐵設置部與該等線圈設置部之間。
4. 如請求項2所述的線性馬達，其中，該等磁鐵連心線分別為複數轉折線，該等線圈連心線分別為複數直線，該磁鐵座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相間隔並分別位於該平面的兩側的磁鐵設置部，每一磁鐵組的該等磁鐵分別設置於該等磁鐵設置部，該線圈座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相連接並分別位於該平面的兩側的線圈設置部，每一線圈組的該等線圈分別設置於該等線圈設置部，該等線圈設置部位於該等磁鐵設置部之間，該等磁鐵與該等線圈位於該等磁鐵設置部與該等線圈設置部之間。
5. 如請求項2所述的線性馬達，其中，該等磁鐵連心線分別為複數直線，該等線圈連心線分別為複數轉折線，該磁鐵座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相連接並分別位於該平面的兩側的磁鐵設置部，每一磁鐵組的該等磁鐵分別設置於該等磁鐵設置部，該線圈座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相間隔並分別位於該平面的兩側的線圈設置部，每一線圈組的該等線圈分別設置於該等線圈設置部，該等磁鐵設置部位於該等線圈設置部之間，該等磁鐵與該等線圈位於該等磁鐵設置部與該等線圈設置部之間。
6. 如請求項2所述的線性馬達，其中，該等磁鐵連心線分別為複數轉折線，該等線圈連心線分別為複數直線，該磁鐵座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相連接並分別位於該平面的兩側的磁鐵設置部，每一磁鐵組的該等磁鐵分別設置於該等磁鐵設置部，該線圈座包括二沿該第一方向延伸且在該第二方向上互相間隔並分別位於該平面的兩側的線圈設置部，每一線圈組的該等線圈分別設置於該等線圈設置部，該等磁鐵設置部位於該等線圈設置部之間，該等磁鐵與該等線圈位於該等磁鐵設置部與該等線圈設置部之間。
7. 如請求項3至請求項6中任一請求項所述的線性馬達，其中，該線圈座還包括複數沿該第一方向間隔設置於該等線圈設置部且分別對應該等線圈組的槽齒組，每一槽齒組具有二分別自該等線圈設置部沿該第二方向延伸的槽齒，每一線圈組的該等線圈分別繞設於對應的槽齒組的該等槽齒。
8. 如請求項2所述的線性馬達，其中，定義任兩個位在該平面的同側且互相鄰近的磁穿段在該第一方向上間隔的距離為一極距，定義任兩個位在該平面的同側且互相鄰近的線穿段在該第一方向上間隔的距離為一線距，當該等線圈連心線為轉折線時，每一線間段的長度不小於六分之一的該極距且不大於六分之五的該極距，當該等磁鐵連心線為轉折線時，每一磁間段的長度不小於六分之一的該線距且不大於六分之五的該線距。