TWI652881B - 線性馬達 - Google Patents

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TWI652881B
TWI652881B TW106133687A TW106133687A TWI652881B TW I652881 B TWI652881 B TW I652881B TW 106133687 A TW106133687 A TW 106133687A TW 106133687 A TW106133687 A TW 106133687A TW I652881 B TWI652881 B TW I652881B
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若山裕史
元吉研太
山口信一
内村智也
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日商三菱電機股份有限公司
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Abstract

本發明的線性馬達係具備：一對的動子(2)，係具有具備複數個齒部(23)的芯(21)及捲繞在齒部(23)的繞線(24)；及定子(301)，係將以積層構造構成的磁性體(31)及永久磁鐵(32)交替排列而成；一對的動子(2)係隔著定子(301)相對向配置，在一對的動子(2)與定子(301)之間設有空隙G；一對的動子(2)係配置成隔著定子(301)而面對稱，或者，配置成當以朝一對的動子(2)的行進方向延伸的軸為旋轉軸而令一對的動子(2)的其中一方之形心旋轉移動180度時會與另一方之形心重疊，其中，前述軸係通過與一對的動子(2)的行進方向垂直的定子(301)的剖面之形心；永久磁鐵(32)係沿一對的動子(2)的行進方向磁化，相鄰的永久磁鐵(32)的磁化面係以同極相對向的方式設置一定的間隔而相對向配置。

Description

線性馬達
本發明係有關用於產業用機械的工作台(table)進給或貨物的搬送之線性馬達(linear motor)。
習知技術中，對於工具機的工作台進給或搬送機械的致動器(actuator)係有高速化及高精度定位之類的要求。為了達到該些要求，工具機及半導體製造裝置等機械的致動器採用線性馬達的情形變多了。此外，線性馬達屬於直接(direct)驅動，相較於旋轉型伺服馬達(servo motor)與滾珠螺桿(ball screw)之組合般將旋轉運動轉換成直線運動的驅動方式，能夠實現高速度、高加速度及高精度定位。
為了使線性馬達高速化、高加速度化，線性馬達需要輕量化及高推力化，下述的專利文獻1係提出一種謀求輕量化及高推力化的線性馬達。
(先前技術文獻) (專利文獻)
專利文獻1：日本國特開2013-176269號公報
然而，在前述專利文獻1所揭示的線性馬達中，關於隔著動子相對向配置的一對定子之沿行進方向的位置係相異，在動子的齒部未相對向的磁極面係因磁飽和使得永久磁鐵的動作點降低、磁通漏洩而無法有效活用磁鐵磁通。此外，還有因相對向的一對定子的位置相異，使得在同相繞線產生的感應電壓產生相位差，感應電壓降低而導致損失變大的問題。
本發明乃係鑒於上述情事而研創，目的在於獲得有效活用從定子產生的磁通，且令感應電壓增加使推力特性提升的線性馬達。
為了解決上述課題並達成目的，本發明的線性馬達係具備：一對的動子，係具有具備複數個齒部的芯(core)及捲繞在齒部的繞線；及定子，係將以積層構造構成的磁性體及永久磁鐵沿一對的動子的行進方向交替排列而成。一對的動子係隔著定子相對向配置，在一對的動子與定子之間設有空隙。一對的動子係配置成一對的動子的其中一方與另一方隔著定子而面對稱，或者，配置成當以朝一對的動子的行進方向延伸的軸為旋轉軸而令一對的動子的其中一方之形心旋轉移動180度時會與一對的動子的另一方之形心重疊，其中，前述軸係通過與一對的動子的行進方向垂直之定子的剖面之形心。永久磁鐵係沿一對 的動子的行進方向磁化，相鄰的永久磁鐵的磁化面係以同極相對向的方式設置一定的間隔而相對向配置。
本發明的線性馬達係達到有效活用從定子產生的磁通，且能夠令感應電壓增加使推力特性提升之效果。
2‧‧‧動子
21‧‧‧芯
22‧‧‧芯背
23‧‧‧齒部
24‧‧‧繞線
25‧‧‧固接板
31‧‧‧磁性體
32‧‧‧永久磁鐵
33‧‧‧動子軛鐵
34‧‧‧貫通孔
36‧‧‧定位用孔
37‧‧‧間隙
38‧‧‧定位銷
39‧‧‧連結部
41‧‧‧頂板
42‧‧‧滑件
50‧‧‧螺孔
60‧‧‧螺栓
101、104至107‧‧‧線性馬達
301、303至306‧‧‧定子
311‧‧‧鍔
A‧‧‧行進方向
B‧‧‧積層方向
C‧‧‧從動子的齒部的前端產生的磁通
D‧‧‧從動子的齒部的前端產生的磁通
G‧‧‧空隙
H‧‧‧線性馬達的沿積層方向的尺寸
Hm‧‧‧永久磁鐵的沿動子的行進方向的寬度
O‧‧‧定子的沿垂直於一對動子的行進方向剖切的剖面之形心
P1‧‧‧一對動子的其中一方之形心
P2‧‧‧一對動子的另一方之形心
W‧‧‧磁性體的沿動子的行進方向的尺寸/鍔的沿動子的行進方向的尺寸
τp‧‧‧永久磁鐵的間隔
第1圖係本發明實施形態1的線性馬達的立體圖。
第2圖係實施形態1的線性馬達的垂直於動子的行進方向的剖面圖。
第3圖係實施形態1的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。
第4圖係顯示在實施形態1的線性馬達的定子的單側產生的空隙磁通密度波形之圖。
第5圖係顯示將實施形態1的線性馬達的空隙磁通密度波形進行級數展開的結果之圖。
第6圖係顯示實施形態1的線性馬達中永久磁鐵的沿動子的行進方向的寬度Hm與永久磁鐵的間隔τp之比Hm/τp與感應電壓的關係之圖。
第7圖係本發明實施形態2的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。
第8圖係顯示實施形態2的線性馬達中永久磁鐵的沿動子的行進方向的寬度Hm與磁性體的鍔的沿動子的行進 方向的尺寸W之比W/Hm與感應電壓的關係之圖。
第9圖係本發明實施形態3的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。
第10圖係從空隙方向觀看實施形態3的線性馬達的定子時所見之圖。
第11圖係實施形態3的變形例的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。
第12圖係本發明實施形態4的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。
第13圖係從空隙方向觀看實施形態4的線性馬達的定子時所見之圖。
第14圖係本發明實施形態5的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。
第15圖係從空隙方向觀看實施形態5的線性馬達的定子時所見之圖。
以下，根據圖式詳細說明本發明實施形態的線性馬達。另外，本發明並不受下述實施形態所限定。
實施形態1.
第1圖係本發明實施形態1的線性馬達的立體圖。第2圖係實施形態1的線性馬達的垂直於動子的行進方向的剖面圖。第3圖係實施形態1的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。另外，在第1圖中，為了使構成易於理解，係僅圖示出動子2及定子301一部分的構成要素。此外， 在第3圖中，為了圖的易讀性，係將永久磁鐵32的剖面線(hatching)省略。如第1圖、第2圖及第3圖所示，實施形態1的線性馬達101係具備動子2與定子301。如第2圖所示，動子2係由下述元件所支撐：固定動子2的固接板25、支撐固接板25的頂板41、設置在頂板41的滑件(slider)42及剖面為W形狀的動子軛鐵(yoke)33。此外，固接板25、頂板41、滑件42及動子軛鐵33的形狀並不限於第2圖所示的形狀，只要能夠支撐動子2則可為任何形狀。動子2係隔著一定大小的空隙G相對向於定子301配置且配置一對，能夠相對於定子301沿行進方向A相對移動。
動子2係具有電磁鋼板的積層鐵芯或利用軛鐵之類的磁性體以積層構造構成的芯21。芯21係具有芯背(coreback)22及從芯背22沿與行進方向A及積層方向B兩方向正交的方向突出的齒部23。此外，動子2係具有隔著未圖示的絕緣子(insulator)之類的絕緣構件捲繞於齒部23的繞線24。一對動子2係配置成一對動子2的其中一方與一對動子2的另一方隔著定子301而面對稱，亦即，一對動子2的其中一方與一對動子2的另一方係配置在以定子3為對稱面而互成鏡像的位置。或者，一對動子2係配置成當以朝一對動子2的行進方向延伸的軸為旋轉軸而令一對動子2的其中一方之形心P1旋轉移動180度會與一對動子2的另一方之形心P2重疊，其中，前述軸係通過與一對動子2的行進方向垂直的定子3的剖面之形心O。因此，在隔著定子301相對向配置的一對動子2中，捲繞在 行進方向A的相同位置的齒部23的繞線24係配置為同相。
在第1圖、第2圖及第3圖中，動子2的芯21雖係以複數個芯背22及齒部23構成，但芯21係亦可為一體構造，沒有分開。
定子301係具備電磁鋼板的積層鐵芯或利用軛鐵以積層構造構成的磁性體31及永久磁鐵32。磁性體31與永久磁鐵32係交替排列的配置。永久磁鐵32係沿行進方向A磁化。隔著磁性體31相鄰的永久磁鐵32係以同極相對向的方式設置一定的間隔而配置。此外，在第1圖、第2圖及第3圖所示的線性馬達101中，動子2的齒部23的個數為6，與動子2相對面的定子301的磁性體31的個數為7，但亦可為上述以外的組合。此外，動子2及定子301的形狀、可動及固定的關係係對調過來也不會對特性造成任何問題。
接著，針對令感應電壓增加的效果，利用電磁場解析的解析結果進行說明。此處，以配置成下述的線性馬達作為比較例：構成定子的永久磁鐵係沿與動子的行進方向及積層方向兩方向垂直的空隙方向磁化，且永久磁鐵以與相鄰的永久磁鐵成為異極的方式沿動子的行進方向隔著一定間隔接著於磁性體。在比較例的線性馬達中，由定子在空隙產生的空隙磁通密度的波形係形成為與所謂的矩形波接近的波形。當將矩形波以f(x)表示時，進行級數展開後變成下式(1)。
一般而言，對線性馬達的推力提供貢獻的感應電壓的一次成分係與空隙磁通密度的一次成分成比例，因此，為了使馬達特性提升，必須令從定子產生的磁通空隙磁通密度的一次成分增加。雖然藉由增加磁鐵用量便能夠令空隙磁通密度的一次成分增加，但磁鐵用量的增加會導致成本(cost)的增加。要令從相同磁鐵用量且同等總磁通量的線性馬達的定子產生的磁通密度的一次成分增加，將其他的高次的成分轉換成一次成分而形成正弦波的做法雖然理想，但實際上有難度。因此，要令從定子產生的磁通密度的一次成分增加，係必須減少其他的高次成分使一次成分增加。
減少高次成分使一次成分增加的方法之一乃係將空隙密度波形形成為三角波。當將三角波以g(x)表示時，進行級數展開後變成下式(2)，相較於矩形波，能夠減少高次成分並增加一次成分。
[數學式2]
要將空隙密度波形形成為三角波，係必須使所產生的磁通量維持在同等，並同時就動子將在空隙G產生磁通的面縮窄。
此外，在未隔著定子將動子相對向配置而僅在定子的單側配置動子的線性馬達中，關於從定子產生的磁通，係在配置有屬於磁性體的動子之側，以與動子的行進方向及積層方向兩方向正交的方向之永久磁鐵的寬度之2/3程度發生交鏈，在寬度之1/3程度則往未配置有動子之側漏洩。因此，未隔著定子將動子相對向配置的線性馬達並無法有效利用磁鐵磁通。
實施形態1的線性馬達101中，動子2係隔著定子301相對向配置，故能夠在定子301的兩側有效地利用從定子301產生在空隙G的磁通。第4圖係顯示在實施形態1的線性馬達的定子的單側產生的空隙磁通密度波形之圖。第4圖中，係以使比較例的線性馬達的空隙磁通密度波形的最大值成為1的方式進行了標準化(亦稱正規化)。
如第4圖所示，圖中以實線顯示的實施形態1的線性馬達101的空隙磁通密度波形係相較於圖中以虛線顯示的比較例的線性馬達的空隙磁通密度波形成為類似三角波的形狀。第5圖係顯示將實施形態1的線性馬達 的空隙磁通密度波形進行級數展開的結果之圖。第5圖中，係以使比較例的線性馬達的空隙磁通密度波形的一次成分成為1的方式進行了標準化。如第5圖所示，與比較例的線性馬達比較，實施形態1的線性馬達101係做到將一次成分增加10%以上。因此，將屬於磁性體的動子2配置在定子301兩側的實施形態1的線性馬達101，在積層方向B的尺寸H為相同的情形中所產生的感應電壓係成為比較例的線性馬達的2.2倍以上。因此，實施形態1的線性馬達101係能夠將積層方向B的尺寸H縮小成比較例的線性馬達的一半以下，除了感應電壓的增加之外，也使在積層方向B的小型化成為可能。此外，依據實施形態1的線性馬達101，動子2的芯21係隔著定子301相對向配置，且動子2係藉由固接板25而連結在一起，故抵消或減少作用在動子2的芯21的磁性吸引力，且減少作用在滑件42的荷重，故使滑件42的長壽命化成為可能。
第6圖係顯示實施形態1的線性馬達中永久磁鐵的沿動子的行進方向的寬度Hm與永久磁鐵的間隔τp之比Hm/τp與感應電壓的關係之圖。此外，第6圖的感應電壓係以比較例的線性馬達的感應電壓為1進行標準化而得的值。如第6圖所示，藉由將Hm/τp設為0.18<Hm/τp<0.9，便能夠獲得與比較例的線性馬達為同等以上的感應電壓。之所以設為Hm/τp<0.9，係因若永久磁鐵32的寬度Hm變寬，磁性體31的沿動子2的行進方向A的的寬度便縮短，磁性體31會磁飽和，永久磁鐵32的動作點會下降 之故。此外，之所以設為0.18<Hm/τp，係因若永久磁鐵32的寬度Hm太窄，磁性體31的空隙G側的空隙面便變寬，會和比較例的線性馬達同樣地形成為矩形波狀的空隙磁通密度波形之故。
實施形態2.
第7圖係本發明實施形態2的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。另外，在第7圖中，為了圖的易讀性，係將永久磁鐵32的剖面線省略。在第7圖中，與實施形態1的線性馬達101的構成相同的構成係被分配相同的元件符號。此外，在第7圖中，實施形態2的線性馬達104與實施形態1的線性馬達101之不同點在於，構成定子303的磁性體31具有保持永久磁鐵32的鍔311。另外，設磁性體31所具有的鍔311的沿動子2的行進方向A的尺寸為W。在鍔311彼此之間係形成有沿動子2的行進方向A的間隙37，且間隙空著。
在實施形態1的線性馬達101中，構成定子301的磁性體31的位在空隙G側的磁極面與永久磁鐵32的空隙G側的面的位置相同。因此，雖是以接著之類的方法將永久磁鐵32固定於磁性體31，但當接著強度小時，有永久磁鐵32往空隙G側偏移而脫落之虞。當永久磁鐵32往空隙G側偏移或脫落時，永久磁鐵32係與動子2接觸，有招致動子2的破損或永久磁鐵32的破損的可能性。相對於此，在實施形態2的線性馬達104中，係採用在定子303的磁性體31的空隙G側的磁極面設置鍔311的形 狀，藉此，便能夠防止永久磁鐵32的偏移及脫落。
此外，磁性體31的鍔311係亦具有感應電壓的提升效果。第8圖係顯示實施形態2的線性馬達中永久磁鐵的沿動子的行進方向的寬度Hm與磁性體的鍔的沿動子的行進方向的尺寸W之比W/Hm與感應電壓的關係之圖。第8圖中的實線係顯示實施形態2的線性馬達104中永久磁鐵32的沿動子2的行進方向A的寬度Hm與磁性體31的鍔311的沿動子2的行進方向A的尺寸W之比W/Hm與感應電壓的關係。此外，第8圖中的虛線係顯示實施形態1的線性馬達101中永久磁鐵32的沿動子2的行進方向A的寬度Hm與磁性體31的沿動子2的行進方向A的尺寸W之比W/Hm與感應電壓的關係。如第8圖所示，藉由設為0≦W/Hm≦0.15，能夠使感應電壓成為與實施形態1的線性馬達101為同等以上。
實施形態3.
第9圖係本發明實施形態3的線性馬達的沿垂直於積層方向剖切的剖面圖。第10圖係從空隙方向觀看實施形態3的線性馬達的定子時所見之圖。另外，在第9圖中，為了圖的易讀性，係將永久磁鐵32的剖面線省略。在第9圖及第10圖中，與實施形態2的線性馬達104的構成相同的構成係被分配相同的元件符號。此外，在第9圖及第10圖中，實施形態3的線性馬達105與實施形態2的線性馬達104之不同點在於，在構成定子304的磁性體31設有貫通孔34以及具有安裝台35。於安裝台35係設有螺孔50， 在實施形態3的線性馬達105中，磁性體31係使用螺栓(bolt)60與安裝台35一併鎖固。
在實施形態3的線性馬達105中，針對定子304，藉由螺栓60而能夠將磁性體31固定至安裝台35。藉此，能夠將被分割的構成定子304的磁性體31固定，而能夠確保強度。特別是當磁性體31是以電磁鋼板之類的積層鋼板構成時，以接著或鉚合係難以確保強度，故藉由以螺栓60固定至安裝台35，便能夠使磁性體31的強度確保及固定同時成為可能。
第11圖係實施形態3的變形例的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。另外，在第11圖中，為了圖的易讀性，係將永久磁鐵32的剖面線省略。第11圖係顯示在接近空隙G側的位置配置有兩個貫通孔34的狀態。藉由在接近空隙G側的位置配置兩個貫通孔34，能夠加強磁性體31的強度。此外，藉由在空隙G側配置貫通孔34，如第11圖所示，便能夠以貫通孔34遮蔽從動子2的齒部23的前端產生的以箭頭C表示的磁通，從而能夠抑制因漏磁通的減少造成的推力特性的降低。
實施形態4.
第12圖係本發明實施形態4的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。第13圖係從空隙方向觀看實施形態4的線性馬達的定子時所見之圖。另外，在第12圖中，為了圖的易讀性，係將永久磁鐵32的剖面線省略。在第12圖及第13圖中，與實施形態2的線性馬達104的構成相同的構成 係被分配相同的元件符號。如第12圖及第13圖所示，實施形態4的線性馬達106與實施形態2的線性馬達104之不同點在於，在構成定子305的磁性體31設置有定位用孔36及具有安裝台35。於安裝台35係設有定位銷38。
在使用複數個磁性體31構成定子305的情形中，當磁性體31的間距(pitch)大幅偏離設計值，便會導致定子305側的製造誤差，產生大的掣動(detent)力。為了抑制因定子305側的製造誤差造成的掣動力的增加，在實施形態4的線性馬達106中係於安裝台35設有定位銷38。此外，於磁性體31係設有定位用孔36。在實施形態4的線性馬達106中，定子305係藉由將定位銷38插入至定位用孔36使磁性體31定位。藉此，便能夠以接近設計值的值來配置複數個被分割的磁性體31的間距間隔，從而能夠抑制因製造不均造成的掣動力的增加。此外，藉由定位用孔36，便能夠遮斷第12圖中以箭頭D表示的從動子2的齒部23的前端產生的磁通，從而能夠抑制因漏磁通造成的推力的降低。
實施形態5.
第14圖係本發明實施形態5的線性馬達的垂直於積層方向的剖面圖。第15圖係從空隙方向觀看實施形態5的線性馬達的定子時所見之圖。另外，在第14圖中，為了圖的易讀性，係將永久磁鐵32的剖面線省略。在第14圖及第15圖中，與實施形態2的線性馬達104的構成相同的構成係被分配相同的元件符號。如第14圖及第15圖所示，實 施形態5的線性馬達107與實施形態2的線性馬達104之不同點在於，定子306的磁性體31在積層方向B的一處所具備有與相鄰的磁性體31連結的連結部39。
實施形態5的線性馬達107中，定子306係形成為在積層方向B的一部分連結的形狀。藉由採用此種構成，確保磁性體31的剛性，並且能夠使磁性體31的間距成為接近設計值的值，從而能夠減輕因製造誤差造成的掣動力的增加。
另外，第15圖所示的磁性體31雖係在積層方向B的一處所具備連結部39，但連結部39係亦可隔著間隔配置在積層方向B的複數處所。
上述實施形態揭示的構成僅係本發明的內容之例示，本發明當能夠與其他的公知技術組合，在不脫離本發明主旨的範圍內，亦能夠省略、變更部分構成。

Claims (9)

  1. 一種線性馬達，係具備：一對的動子，係具有具備複數個齒部的芯及捲繞在前述齒部的繞線；及定子，係將以積層構造構成的磁性體及永久磁鐵沿一對的前述動子的行進方向交替排列而成；一對的前述動子係隔著前述定子相對向配置，在一對的前述動子與前述定子之間設有空隙；一對的前述動子係配置成一對的前述動子的其中一方與另一方隔著前述定子而面對稱，或者，配置成當以朝一對的前述動子的行進方向延伸的軸為旋轉軸而令一對的前述動子的其中一方之形心旋轉移動180度時會與一對的前述動子的另一方之形心重疊，其中，前述軸係通過與一對的前述動子的行進方向垂直的前述定子的剖面之形心；前述永久磁鐵係沿一對的前述動子的行進方向磁化，相鄰的前述永久磁鐵的磁化面係以同極相對向的方式設置一定的間隔而相對向配置；前述磁性體係具有從前述空隙側抵接前述永久磁鐵的鍔；在前述鍔彼此之間係形成有沿前述動子的行進方向的間隙。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之線性馬達，其中，當將前述永久磁鐵的沿一對的前述動子的行進方向的寬度 設為Hm，將前述永久磁鐵的間隔設為τp時，0.18<Hm/τp<0.9。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之線性馬達，其中，當將前述磁性體之前述鍔之沿前述動子的行進方向之尺寸設為W，將前述永久磁鐵的沿一對的前述動子的行進方向的寬度設為Hm時，0≦W/Hm≦0.15。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之線性馬達，其中，當將前述磁性體之前述鍔之沿前述動子的行進方向之尺寸設為W，將前述永久磁鐵的沿一對的前述動子的行進方向的寬度設為Hm時，0≦W/Hm≦0.15。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之線性馬達，更具有：安裝台，係固定前述磁性體；前述磁性體係設有讓將前述磁性體固定至前述安裝台之用的螺栓貫通的貫通孔。
  6. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之線性馬達，更具有：安裝台，係固定前述磁性體；前述安裝台係具備定位銷；前述磁性體係形成有與前述定位銷卡合的定位用孔。
  7. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之線性馬達，其中，前述磁性體係在積層方向的一個以上之處所具備與相鄰的磁性體連結的連結部。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之線性馬達，其中，前述磁性體係在積層方向的一個以上之處所具備與相鄰的 磁性體連結的連結部。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之線性馬達，其中，前述磁性體係在積層方向的一個以上之處所具備與相鄰的磁性體連結的連結部。
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