WO2018167970A1 - リニアモータ - Google Patents

Abstract

複数の歯部（２３）を備えたコア（２１）及び歯部（２３）に巻回された巻線（２４）を有する一対の可動子（２）と、積層構造で構成された磁性体（３１）及び永久磁石（３２）が交互に配列された固定子（３０１）とを備え、一対の可動子（２）は、固定子（３０１）を挟んで対向して配置され、一対の可動子（２）と固定子（３０１）との間に空隙Ｇが設けられており、一対の可動子（２）は、固定子（３０１）を介して面対称に配置されるか、又は、一対の可動子（２）の進行方向と垂直な固定子（３０１）の断面の図心を通り一対の可動子（２）の進行方向に延びる軸を回転軸にして一対の可動子（２）の一方の図心を１８０度回転移動させた場合に他方の図心と重なるように配置されており、永久磁石（３２）は、一対の可動子（２）の進行方向に着磁され、隣接する永久磁石（３２）の着磁面は、同極が対向するように一定の間隔を設けて対向配置されている。

Description

リニアモータ

　本発明は、産業用機械のテーブル送り又は荷物の搬送に用いられるリニアモータに関する。

　従来、工作機械のテーブル送り又は搬送機械のアクチュエータに対しては、高速化及び高精度位置決めといった要求がある。この要求に応えるため、工作機械及び半導体製造装置といった機械のアクチュエータには、リニアモータが採用されることが増えている。また、リニアモータは、ダイレクト駆動であり、回転型サーボモータとボールねじとの組み合わせのように回転運動を直線運動に変換する駆動方式に比べ、高速度、高加速度及び高精度位置決めの実現が可能である。

　リニアモータを高速化、高加速度化するためには、リニアモータの軽量化及び高推力化が必要であり、特許文献１には、軽量化及び高推力化を図ったリニアモータが提案されている。

特開２０１３－１７６２６９号公報

　しかしながら、上記特許文献１に開示されるリニアモータは、可動子を挟んで対向配置される一対の固定子は、進行方向に沿った位置が異なっており、可動子の歯部が対向していない磁極面では、磁気飽和により永久磁石の動作点が低下したり、磁束が漏れたりして磁石磁束を有効活用できていない。また、対向する一対の固定子の位置が異なることにより、同じ相の巻き線に発生する誘起電圧に位相差が発生し、誘起電圧が低下して損失が大きくなるという問題があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、固定子から発生する磁束を有効活用し、かつ誘起電圧を増加させて推力特性を向上させたリニアモータを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の歯部を備えたコア及び歯部に巻回された巻線を有する一対の可動子と、積層構造で構成された磁性体及び永久磁石が交互に一対の可動子の進行方向に配列された固定子とを備える。一対の可動子は、固定子を挟んで対向して配置され、一対の可動子と固定子との間に空隙が設けられている。一対の可動子は、一対の可動子の一方と他方とが固定子を介して面対称に配置されるか、又は、一対の可動子の進行方向と垂直な固定子の断面の図心を通り一対の可動子の進行方向に延びる軸を回転軸にして一対の可動子の一方の図心を１８０度回転移動させた場合に一対の可動子の他方の図心と重なるように配置されている。永久磁石は、一対の可動子の進行方向に着磁され、隣接する永久磁石の着磁面は、同極が対向するように一定の間隔を設けて対向配置されている。

　本発明に係るリニアモータは、固定子から発生する磁束を有効活用し、かつ誘起電圧を増加させて推力特性を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るリニアモータの斜視図 実施の形態１に係るリニアモータの可動子の進行方向に垂直な断面図 実施の形態１に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図 実施の形態１に係るリニアモータの固定子の片側に発生する空隙磁束密度波形を示す図 実施の形態１に係るリニアモータの空隙磁束密度波形を級数展開した結果を示す図 実施の形態１に係るリニアモータの可動子の進行方向における永久磁石の幅Ｈｍと永久磁石の間隔τｐとの比Ｈｍ／τｐと、誘起電圧との関係を示す図 本発明の実施の形態２に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図 実施の形態２に係るリニアモータの可動子の進行方向における永久磁石の幅Ｈｍと、可動子の進行方向における磁性体の鍔の寸法Ｗとの比Ｗ／Ｈｍと、誘起電圧との関係を示す図 本発明の実施の形態３に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図 実施の形態３に係るリニアモータの固定子を空隙方向から見た図 実施の形態３の変形例に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図 本発明の実施の形態４に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図 実施の形態４に係るリニアモータの固定子を空隙方向から見た図 本発明の実施の形態５に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図 実施の形態５に係るリニアモータの固定子を空隙方向から見た図

　以下に、本発明の実施の形態に係るリニアモータを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係るリニアモータの斜視図である。図２は、実施の形態１に係るリニアモータの可動子の進行方向に垂直な断面図である。図３は、実施の形態１に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図である。なお、図１では、構成の理解を容易にするために、可動子２及び固定子３０１の一部の構成要素のみを図示している。また、図３では、図を見やすくするために、永久磁石３２のハッチングは省略している。図１、図２及び図３に示すように、実施の形態１に係るリニアモータ１０１は、可動子２と固定子３０１とを備えている。可動子２は、図２に示すように、可動子２が固定される締結板２５、締結板２５を支持する天板４１、天板４１に設置されたスライダ４２、及びＷ形状断面の可動子ヨーク３３によって支持されている。ここで、締結板２５、天板４１、スライダ４２及び可動子ヨーク３３の形状は、図２に示した形状に依らず、可動子２が支持可能であれば、どのような形状であってもよい。可動子２は、一定の大きさの空隙Ｇを介して固定子３０１に対向して一対配置されており、固定子３０１に対して進行方向Ａに沿って相対的に移動可能となっている。

　可動子２は、電磁鋼板の積層鉄心又はヨークといった磁性体によって積層構造で構成されたコア２１を有している。コア２１は、コアバック２２と、進行方向Ａ及び積層方向Ｂの両方と直交する方向に沿ってコアバック２２から突出した歯部２３とを有している。また、可動子２は、図示しないインシュレータといった絶縁部材を介して歯部２３に巻回された巻線２４を有している。一対の可動子２は、一対の可動子２の一方と一対の可動子２の他方とが固定子３０１を介して面対称に、すなわち、一対の可動子２の一方と一対の可動子２の他方とが、固定子３を対称面にして互いに鏡像となる位置に配置されている。または、一対の可動子２は、一対の可動子２の進行方向と垂直な固定子３の断面の図心Ｏを通り一対の可動子２の進行方向に延びる軸を回転軸にして一対の可動子２の一方の図心Ｐ_１を１８０度回転移動させると一対の可動子２の他方の図心Ｐ_２と重なるように配置されている。したがって、固定子３０１を介して対向配置される一対の可動子２においては、進行方向Ａの同じ位置の歯部２３に巻回された巻線２４は同相が配置されている。

　図１、図２及び図３では、可動子２のコア２１は、複数のコアバック２２及び歯部２３によって構成されているが、コア２１は、分割されておらず一体構造であってもよい。

　固定子３０１は、電磁鋼板の積層鉄心又はヨークによって積層構造で構成された磁性体３１と、永久磁石３２とを備えている。磁性体３１と永久磁石３２とは交互に並んで配置されている。永久磁石３２は、進行方向Ａに着磁されている。磁性体３１を介して隣接する永久磁石３２は、同極が対向するように一定の間隔を設けて配置されている。ここで、図１、図２及び図３に示されたリニアモータ１０１は、可動子２の歯部２３の数が６となっており、可動子２と対面する固定子３０１の磁性体３１の数が７となっているが、この組み合わせ以外であってもよい。また、可動子２及び固定子３０１の形状と、可動及び固定の関係とが逆となっても特性に何ら問題ない。

　次に、誘起電圧を向上させる効果について、電磁界解析の解析結果を用いて説明する。ここで、固定子を構成する永久磁石が、可動子の進行方向及び積層方向の両方に垂直な空隙方向に着磁されており、永久磁石が隣接する永久磁石とは異極となるように可動子の進行方向に一定の間隔で磁性体に接着して配置されているリニアモータを比較例にする。比較例に係るリニアモータでは、固定子が空隙に発生させる空隙磁束密度の波形は、いわゆる矩形波に近い波形となる。矩形波をｆ（ｘ）で表す場合、級数展開すると下記式（１）となる。

　一般的に、リニアモータの推力に寄与する誘起電圧の一次成分は、空隙磁束密度の一次成分に比例するため、モータ特性を向上させるためには、固定子から発生する空隙磁束密度の一次成分を増加させる必要がある。磁石使用量を増やすことにより、空隙磁束密度の一次成分を増加させることは可能であるが、磁石使用量の増加はコストの増加となる。磁石使用量が同じで総磁束量が同等のリニアモータの固定子から発生する磁束密度の一次成分を増加させるには、他の高次の成分を一次成分に変換して正弦波とすることが理想であるが、実際には困難である。よって、固定子から発生する磁束密度の一次成分を向上させるには、他の高次成分を低減して一次成分を増加させることが必要である。

　高次成分を低減して一次成分を増加させる方法の一つは、空隙密度波形を三角波とすることである。三角波をｇ（ｘ）で表す場合、級数展開すると下記式（２）となり、矩形波に比べて高次成分を低減し、一次成分を増加することができる。

　空隙密度波形を三角波とするには、発生する磁束量は同等としつつ、可動子として空隙Ｇに磁束を発生する面を狭くする必要がある。

　また、固定子を間に挟んで可動子が対向配置されておらず、固定子の片側にのみに可動子が配置されているリニアモータでは、固定子から発生する磁束は、磁性体である可動子が配置されている側に、可動子の進行方向及び積層方向の両方と直交する方向における永久磁石の幅の２／３程度は鎖交するが、１／３程度は可動子が配置されていない方に漏れる。したがって、固定子を挟んで可動子が対向配置されていないリニアモータは、磁石磁束を有効利用できない。

　実施の形態１に係るリニアモータ１０１は、固定子３０１を介して可動子２が対向配置されているため、固定子３０１から空隙Ｇに発生する磁束を、固定子３０１の両側で有効に利用することができる。図４は、実施の形態１に係るリニアモータの固定子の片側に発生する空隙磁束密度波形を示す図である。図４では、比較例に係るリニアモータの空隙磁束密度波形の最大値が１となるように正規化している。

　図４に示すように、図中に実線で示す実施の形態１に係るリニアモータ１０１の空隙磁束密度波形は、図中に破線で示す比較例に係るリニアモータの空隙磁束密度波形に比べて三角波に近い形となる。図５は、実施の形態１に係るリニアモータの空隙磁束密度波形を級数展開した結果を示す図である。図５は、比較例に係るリニアモータの空隙磁束密度波形の一次成分が１となるように正規化している。図５に示すように、実施の形態１に係るリニアモータ１０１は、比較例に係るリニアモータとの対比では、一次成分を１０％以上増加できている。従って、固定子３０１の両側に磁性体である可動子２を配置している実施の形態１に係るリニアモータ１０１は、積層方向Ｂの寸法Ｈが同じ場合に発生する誘起電圧は、比較例に係るリニアモータの２．２倍以上となる。このため、実施の形態１に係るリニアモータ１０１は、積層方向Ｂの寸法Ｈを比較例に係るリニアモータの半分以下とすることができ、誘起電圧の増加に加えて、積層方向Ｂでの小型化が可能となる。さらに、実施の形態１に係るリニアモータ１０１によれば、固定子３０１を介して、可動子２のコア２１が対向配置されており、可動子２は締結板２５によって連結されているため、可動子２のコア２１に加わる磁気吸引力が相殺又は低減され、且つスライダ４２に加わる荷重が低減されるため、スライダ４２の長寿命化が可能となる。

　図６は、実施の形態１に係るリニアモータの可動子の進行方向における永久磁石の幅Ｈｍと永久磁石の間隔τｐとの比Ｈｍ／τｐと、誘起電圧との関係を示す図である。ここで、図６の誘起電圧は、比較例に係るリニアモータの誘起電圧を１として正規化した値である。図６に示すように、Ｈｍ／τｐを、０．１８＜Ｈｍ／τｐ＜０．９とすることにより、比較例に係るリニアモータと同等以上の誘起電圧を得ることが可能となる。Ｈｍ／τｐ＜０．９とするのは、永久磁石３２の幅Ｈｍが広くなると、可動子２の進行方向Ａにおける磁性体３１の幅が短くなり、磁性体３１が磁気飽和し、永久磁石３２の動作点が落ちるためである。また、０．１８＜Ｈｍ／τｐとするのは、永久磁石３２の幅Ｈｍが狭くなりすぎると、磁性体３１の空隙Ｇ側の空隙面が広くなり、比較例に係るリニアモータと同様に矩形波状の空隙磁束密度波形となるためである。

実施の形態２．
　図７は、本発明の実施の形態２に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図である。なお、図７では、図を見やすくするために、永久磁石３２のハッチングは省略している。図７において、実施の形態１に係るリニアモータ１０１の構成と同じ構成には、同じ符号が割り振られている。また、図７において、実施の形態２に係るリニアモータ１０４は、固定子３０３を構成する磁性体３１が、永久磁石３２を保持する鍔３１１を有している点で実施の形態１に係るリニアモータ１０１と相違する。なお、磁性体３１が有する鍔３１１の可動子２の進行方向Ａにおける寸法をＷとする。鍔３１１同士の間には、可動子２の進行方向Ａに沿った間隙３７が形成されており、隙間が空いている。

　実施の形態１に係るリニアモータ１０１は、固定子３０１を構成する磁性体３１の空隙Ｇ側に位置する磁極面と永久磁石３２の空隙Ｇ側の面との位置が同じであった。したがって、接着といった方法で永久磁石３２を磁性体３１に固定することになるが、接着の強度が小さい場合、永久磁石３２が空隙Ｇ側にずれて脱落する恐れがある。永久磁石３２が空隙Ｇ側にずれたり脱落したりした場合、永久磁石３２が可動子２と接触し、可動子２の破損又は永久磁石３２の破損を招く可能性がある。これに対し、実施の形態２に係るリニアモータ１０４は、固定子３０３の磁性体３１の空隙Ｇ側の磁極面に鍔３１１を設けた形状とすることにより、永久磁石３２のずれ及び脱落を防止することが可能となる。

　さらに、磁性体３１の鍔３１１は誘起電圧の向上効果もある。図８は、実施の形態２に係るリニアモータの可動子の進行方向における永久磁石の幅Ｈｍと、可動子の進行方向における磁性体の鍔の寸法Ｗとの比Ｗ／Ｈｍと、誘起電圧との関係を示す図である。図８中の実線は、実施の形態２に係るリニアモータ１０４の可動子２の進行方向Ａにおける永久磁石３２の幅Ｈｍと、可動子２の進行方向Ａにおける磁性体３１の鍔３１１の寸法Ｗとの比Ｗ／Ｈｍと、誘起電圧との関係を示している。また、図８中の破線は、実施の形態１に係るリニアモータ１０１の可動子２の進行方向Ａにおける永久磁石３２の幅Ｈｍと、可動子２の進行方向Ａにおける磁性体３１の寸法Ｗとの比Ｗ／Ｈｍと、誘起電圧との関係を示している。図８に示すように、０≦Ｗ／Ｈｍ≦０．１５とすることにより、誘起電圧を実施の形態１に係るリニアモータ１０１と同等以上とすることが可能である。

実施の形態３．
　図９は、本発明の実施の形態３に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図である。図１０は、実施の形態３に係るリニアモータの固定子を空隙方向から見た図である。なお、図９では、図を見やすくするために、永久磁石３２のハッチングは省略している。図９及び図１０において、実施の形態２に係るリニアモータ１０４の構成と同じ構成には同じ符号が割り振られている。また、図９及び図１０において、実施の形態３に係るリニアモータ１０５は、固定子３０４を構成する磁性体３１に貫通孔３４が設けられている点と、取付台３５を有する点とで実施の形態２に係るリニアモータ１０４と相違している。取付台３５には、ねじ穴５０が設けられており、実施の形態３に係るリニアモータ１０５では、磁性体３１は、ボルト６０を用いて取付台３５にとも締めされる。

　実施の形態３に係るリニアモータ１０５では、固定子３０４をボルト６０によって、磁性体３１を取付台３５に固定することが可能である。これにより、分割されている固定子３０４を構成する磁性体３１を固定することが可能であり、強度を確保することが可能となる。特に磁性体３１が電磁鋼板といった積層鋼板で構成されている場合は、接着又はカシメでは強度を確保することが困難であるため、ボルト６０によって取付台３５に固定することによって、磁性体３１の強度確保と固定が同時に可能となる。

　図１１は、実施の形態３の変形例に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図である。なお、図１１では、図を見やすくするために、永久磁石３２のハッチングは省略している。図１１は、空隙Ｇ側に近い位置に貫通孔３４を二つ配置した状態を示している。空隙Ｇ側に近い位置に貫通孔３４を二つ配置することにより、磁性体３１の強度を強くすることが可能である。また、空隙Ｇ側に貫通孔３４を配置することにより、図１１に示すように、可動子２の歯部２３の先端から発生する矢印Ｃで示した磁束を貫通孔３４で遮蔽することが可能となり、漏れ磁束の低減による推力特性の低下を抑制することが可能となる。

実施の形態４．
　図１２は、本発明の実施の形態４に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図である。図１３は、実施の形態４に係るリニアモータの固定子を空隙方向から見た図である。なお、図１２では、図を見やすくするために、永久磁石３２のハッチングは省略している。図１２及び図１３において、実施の形態２に係るリニアモータ１０４の構成と同じ構成には同じ符号が割り振られている。図１２及び図１３に示すように、実施の形態４に係るリニアモータ１０６は、固定子３０５を構成する磁性体３１には位置決め用穴３６が設けられている点と、取付台３５を有する点とで実施の形態２に係るリニアモータ１０４と相違する。取付台３５には、位置決めピン３８が設けられている。

　固定子３０５を複数の磁性体３１を用いて構成する場合、磁性体３１のピッチが設計値から大きく外れると、固定子３０５側の製造誤差となり、大きなディテント力が発生する。固定子３０５側の製造誤差によるディテント力の増加を抑制するために、実施の形態４に係るリニアモータ１０６においては、取付台３５には位置決めピン３８が設けられている。また、磁性体３１には位置決め用穴３６が設けられている。実施の形態４に係るリニアモータ１０６においては、固定子３０５は、位置決め用穴３６に位置決めピン３８を挿入することにより磁性体３１の位置決めがなされている。これにより、複数の分割された磁性体３１のピッチ間隔を設計値に近い値で配置可能となり、製造ばらつきによるディテント力の増加を抑制することが可能となる。また、位置決め用穴３６によって、図１２中に矢印Ｄで示した可動子２の歯部２３の先端から発生する磁束を遮断することが可能となり、漏れ磁束による推力の低下を抑制することが可能となる。

実施の形態５．
　図１４は、本発明の実施の形態５に係るリニアモータの積層方向に垂直な断面図である。図１５は、実施の形態５に係るリニアモータの固定子を空隙方向から見た図である。なお、図１４では、図を見やすくするために、永久磁石３２のハッチングは省略している。図１４及び図１５において、実施の形態２に係るリニアモータ１０４の構成と同じ構成には同じ符号が割り振られている。図１４及び図１５に示すように、実施の形態５に係るリニアモータ１０７では、固定子３０６の磁性体３１は、隣接する磁性体３１と繋がった連結部３９を積層方向Ｂにおける一箇所に備えている点で実施の形態２に係るリニアモータ１０４と相違する。

　実施の形態５に係るリニアモータ１０７は、固定子３０６が積層方向Ｂの一部において繋がった形状をしている。このような構成とすることにより、磁性体３１の剛性を確保すると共に、磁性体３１のピッチを設計値に近い値にすることができ、製造誤差によるディテント力の増加を低減することが可能となる。

　なお、図１５に示す磁性体３１は、積層方向Ｂの一箇所に連結部３９を備えているが、連結部３９は、積層方向Ｂの複数箇所に間隔を空けて配置されていても良い。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　２　可動子、２１　コア、２２　コアバック、２３　歯部、２４　巻線、２５　締結板、３１　磁性体、３２　永久磁石、３３　可動子ヨーク、３４　貫通孔、３６　位置決め用穴、３７　間隙、３８　位置決めピン、３９　連結部、４１　天板、４２　スライダ、５０　ねじ穴、６０　ボルト、１０１，１０４，１０５，１０６，１０７　リニアモータ、３０１，３０３，３０４，３０５，３０６　固定子、３１１　鍔。

Claims (7)

1. 　複数の歯部を備えたコア及び前記歯部に巻回された巻線を有する一対の可動子と、
   　積層構造で構成された磁性体及び永久磁石が交互に一対の前記可動子の進行方向に配列された固定子とを備え、
   　一対の前記可動子は、前記固定子を挟んで対向して配置され、一対の前記可動子と前記固定子との間に空隙が設けられており、
   　一対の前記可動子は、一対の前記可動子の一方と他方とが前記固定子を介して面対称に配置されるか、又は、一対の前記可動子の進行方向と垂直な前記固定子の断面の図心を通り一対の前記可動子の進行方向に延びる軸を回転軸にして、一対の前記可動子の一方の図心を１８０度回転移動させた場合に一対の前記可動子の他方の図心と重なるように配置されており、
   　前記永久磁石は、一対の前記可動子の進行方向に着磁され、隣接する前記永久磁石の着磁面は、同極が対向するように一定の間隔を設けて対向配置されていることを特徴とするリニアモータ。
2. 　一対の前記可動子の進行方向における前記永久磁石の幅をＨｍ、前記永久磁石の間隔をτｐとした時に、０．１８＜Ｈｍ／τｐ＜０．９であることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 　前記磁性体は、前記永久磁石に前記空隙側から当接する鍔を有し、
   　前記鍔同士の間には、前記可動子の進行方向に沿った間隙が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
4. 　前記間隙の幅をＷ、一対の前記可動子の進行方向における前記永久磁石の幅をＨｍとした時に、０≦Ｗ／Ｈｍ≦０．１５であることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
5. 　前記磁性体を固定する取付台を有し、
   　前記磁性体は、前記取付台への固定用のボルトを貫通させる貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のリニアモータ。
6. 　前記磁性体を固定する取付台を有し、
   　前記取付台は、位置決めピンを備え、
   　前記磁性体は、前記位置決めピンと係合する位置決め用穴が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のリニアモータ。
7. 　前記磁性体は、隣接する磁性体と繋がっている連結部を、積層方向において一箇所以上に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のリニアモータ。

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