WO2020121509A1 - Linear electric motor - Google Patents
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Abstract
A linear electric motor of the present invention comprises: a rotor (20) that has an outer peripheral surface on which magnetic regions (21, 22) of an N-pole and an S-pole are spirally and alternately arranged such that the magnetic regions of the N-pole and the S-pole are alternately arranged in a rotation axis direction; a rotating machine (60) that is connected to the rotor (20) to rotationally drive the rotor (20); an armature (10) that includes an iron core (50) having a tooth part provided to face the outer peripheral surface of the rotor (20) and a winding (11) wound on the iron core, and is driven to move in the rotation axis direction of the rotor (20) by switching electric conduction to the winding (11); and a guide member (70) that guides the armature (10) to move in the rotation axis direction, and restricts the movement of the armature (10) in a circumferential direction of the rotor (20).
Description
この発明は、直動型の電動機に関するものである。
The present invention relates to a direct drive type electric motor.
近年、工場等の生産現場に搬送装置に直動電動機（リニアモータ）が用いられている。
In recent years, direct-acting electric motors (linear motors) have been used as conveyors in production sites such as factories.
直動電動機には、例えば、強磁性体材料からなるロッドに対し、帯状のＮ極及びＳ極の着磁帯が螺旋状に着磁された雄側磁気ネジと、雄側磁気ネジに非接触状態で嵌合し、ロッドに着磁された着磁帯の螺旋形状にならって形成された突極をもつ電機子とを有するモータを備え、ロッドを固定し、電機子を前記ロッドの軸方向に摺動自在に支持することにより、電機子に巻回された各相のコイルを通電させて生じる回転磁界によって当該電機子に推力を発生させるものがあった (特許文献１参照)。
In the direct-drive motor, for example, a rod made of a ferromagnetic material is spirally magnetized with a strip-shaped N-pole and S-pole magnetizing band, and the male-side magnetic screw is not in contact with the male-side magnetic screw. Equipped with a motor having an armature having salient poles formed in a spiral shape of a magnetized band magnetized to the rod, fixing the rod, and fixing the armature to the axial direction of the rod. There is a device in which thrust is generated in the armature by a rotating magnetic field generated by energizing coils of each phase wound around the armature by slidably supporting the armature (see Patent Document 1).
生産現場等で用いられる直動電動機は、生産性の向上等を目的として、高速化が求められている。従来の構成の直動電動機においても、例えば、巻線の巻回数を増やすこと、ティースの数を増やすこと等の電機子の最適化により、さらなる高速化を図ることが考えられる。もちろん、このような対策でも一定の効果が得られる可能性はある。しかしながら、電機子の重量増加に伴う駆動負荷の増大や、銅損および鉄損の増大による損失（発熱）の増大等の理由により、従来の構成における最適化だけでは、十分な高速化ができない場合があった。
↑ Direct drive motors used at production sites, etc. are required to have higher speeds in order to improve productivity. Even in the direct-drive motor having the conventional configuration, it is possible to further increase the speed by optimizing the armature, for example, by increasing the number of windings of the winding and increasing the number of teeth. Of course, even with such measures, it is possible that some effects can be obtained. However, due to reasons such as an increase in driving load due to an increase in the weight of the armature and an increase in loss (heat generation) due to an increase in copper loss and iron loss, there is a case where sufficient speedup cannot be achieved only by optimization in the conventional configuration. was there.
この発明は上記した問題点を解決するためのものであり、高速な移動を可能とする直動電動機を提供することを目的とするものである。
The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide a direct drive motor capable of moving at high speed.
この発明に係る直動電動機は、Ｎ極およびＳ極の磁性領域が回転軸方向に交互に配列されるように、Ｎ極及びＳ極の磁性領域が螺旋状かつ交互に配置された外周面を備える回転子と、回転子に連結され、回転子を回転駆動する回転機と、回転子の外周面に対向して設けられたティース部を有する鉄心と鉄心に巻回された巻線とを備え、巻線への通電の切替えにより回転子の回転軸方向に移動する駆動される電機子と、電機子が回転軸方向に移動するように案内し、電機子が回転子の周方向に移動するのを規制するガイド部材と、を備えたものである。
The linear motor according to the present invention has an outer peripheral surface in which magnetic regions of N poles and S poles are spirally and alternately arranged so that the magnetic regions of N poles and S poles are alternately arranged in the rotation axis direction. A rotor provided with the rotor, a rotary machine connected to the rotor to drive the rotor to rotate, an iron core having teeth portions provided facing the outer peripheral surface of the rotor, and a winding wound around the iron core. , The armature driven to move in the rotation axis direction of the rotor by switching the energization to the winding, and the armature is guided so as to move in the rotation axis direction, and the armature moves in the circumferential direction of the rotor. And a guide member for restricting the above.
この発明の直動電動機は、螺旋状に磁性領域が設けられた回転子が回転機により回転駆動される。このため、電機子は電機子に設けられた巻線への通電の切替えによる回転軸方向の駆動力に加え、回転機の回転によっても回転軸方向の駆動力を得ることができる。したがって、この発明の直動電動機においては、電機子の移動を高速化することが可能である。
In the linear motor of the present invention, a rotor having a spiral magnetic region is rotationally driven by the rotating machine. Therefore, the armature can obtain the driving force in the rotating shaft direction by rotating the rotating machine in addition to the driving force in the rotating shaft direction by switching the energization to the windings provided on the armature. Therefore, in the direct drive motor of the present invention, it is possible to speed up the movement of the armature.
以下に、本発明の実施の形態に係る電動機（直動電動機）について、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。
Hereinafter, an electric motor (direct drive motor) according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment.
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る電動機の斜視図である。電動機は、回転子２０と、電機子１０と、回転機６０と、を備える。回転子２０は端板４０に回転可能に支持されている。電機子１０は、フレーム３０に固定されており、回転子２０の外周面を両側から取り囲むように配置されている。電機子１０の移動方向を規制するシャフト（ガイド部材）７０が、回転子２０と平行に、端板４０に固定されている。フレーム３０はシャフト７０に対する摺動部を備えており、フレーム３０がシャフト７０に沿って移動することで、電機子１０は回転子２０の軸方向に移動する。シャフト７０は、電機子１０が回転子２０の周方向へ移動するのを規制する。回転機６０は、端板４０に固定されており、回転機６０の駆動軸は、回転子２０に接続されている。回転機６０は、外部からの信号により駆動され、円筒状の回転子２０を回転駆動させることができる。また、回転機６０の内部には、回転軸の回転位置を検出する回転位置センサが内蔵されている。 Embodiment 1.
1 is a perspective view of an electric motor according to Embodiment 1 of the present invention. The electric motor includes arotor 20, an armature 10, and a rotating machine 60. The rotor 20 is rotatably supported by the end plate 40. The armature 10 is fixed to the frame 30 and is arranged so as to surround the outer peripheral surface of the rotor 20 from both sides. A shaft (guide member) 70 that restricts the moving direction of the armature 10 is fixed to the end plate 40 in parallel with the rotor 20. The frame 30 includes a sliding portion with respect to the shaft 70. When the frame 30 moves along the shaft 70, the armature 10 moves in the axial direction of the rotor 20. The shaft 70 restricts the armature 10 from moving in the circumferential direction of the rotor 20. The rotating machine 60 is fixed to the end plate 40, and the drive shaft of the rotating machine 60 is connected to the rotor 20. The rotating machine 60 is driven by a signal from the outside, and can rotate the cylindrical rotor 20. Further, inside the rotating machine 60, a rotation position sensor that detects the rotation position of the rotating shaft is built in.
図１は本発明の実施の形態１に係る電動機の斜視図である。電動機は、回転子２０と、電機子１０と、回転機６０と、を備える。回転子２０は端板４０に回転可能に支持されている。電機子１０は、フレーム３０に固定されており、回転子２０の外周面を両側から取り囲むように配置されている。電機子１０の移動方向を規制するシャフト（ガイド部材）７０が、回転子２０と平行に、端板４０に固定されている。フレーム３０はシャフト７０に対する摺動部を備えており、フレーム３０がシャフト７０に沿って移動することで、電機子１０は回転子２０の軸方向に移動する。シャフト７０は、電機子１０が回転子２０の周方向へ移動するのを規制する。回転機６０は、端板４０に固定されており、回転機６０の駆動軸は、回転子２０に接続されている。回転機６０は、外部からの信号により駆動され、円筒状の回転子２０を回転駆動させることができる。また、回転機６０の内部には、回転軸の回転位置を検出する回転位置センサが内蔵されている。 Embodiment 1.
1 is a perspective view of an electric motor according to Embodiment 1 of the present invention. The electric motor includes a
図２は実施の形態１に係る回転子２０の斜視図である。回転子２０の外周面には、Ｎ極の磁性領域２１およびＳ極の磁性領域２２が、回転軸方向に交互に配列されるように螺旋状に配置されている。磁性領域２１および２２の形成方法は特に限定されない。例えば、表面側をＮ極に着磁した長尺状のシートと表面側をＳ極に着磁した長尺状のシートとを交互に円筒状の部材に巻き付けることで形成することができる。分割して作成された永久磁石を並べて固定することで、磁性領域２１および２２を形成してもよい。
FIG. 2 is a perspective view of the rotor 20 according to the first embodiment. On the outer peripheral surface of the rotor 20, N-pole magnetic regions 21 and S-pole magnetic regions 22 are spirally arranged so as to be alternately arranged in the rotation axis direction. The method for forming the magnetic regions 21 and 22 is not particularly limited. For example, it can be formed by alternately winding a long sheet whose front side is magnetized with N pole and a long sheet whose front side is magnetized with S pole around a cylindrical member. The magnetic regions 21 and 22 may be formed by arranging and fixing the divided permanent magnets.
図３は実施の形態１に係る電機子１０の斜視図である。図４は薄板の積層体５７の斜視図であり、図５はヨーク部５１の斜視図である。積層体５７には、ティース部５２が形成されている。電機子１０の鉄心５０は、積層体５７とヨーク部５１とで構成される。積層体５７とヨーク部５１とは、それぞれ電磁鋼板の薄板を積層した構成となっており、積層した薄板は、積層カシメ、溶接、接着等により一体化されている。積層体５７のティース部５２の回転子２０と対向する面側には、周方向に突出したツバ部５３が形成されている。ツバ部５３により、ティース部５２の回転子２０と対向する面は、回転子２０の周方向非対称な形状となっている。ティース部５２の形状は、片側だけにツバ部５３が設けられている形状には限られず、図６のように、両側にツバ部５３が形成され、両側のツバ部５３の長さが互いに異なるような形状であってもよい。また、積層体５７には、ヨーク部５１と嵌合するための枠部５４が形成されている。枠部５４におけるツバ部５３とは反対側の領域には、枠部５４が途切れる開放部５８が設けられている。この開放部５８により、ヨーク部５１に流れる磁束によって発生する渦電流のパスを遮断することができ、エネルギー損失が低減され、電動機の高効率化につながる。
FIG. 3 is a perspective view of the armature 10 according to the first embodiment. FIG. 4 is a perspective view of the laminated body 57 of thin plates, and FIG. 5 is a perspective view of the yoke portion 51. The tooth portion 52 is formed on the laminated body 57. The iron core 50 of the armature 10 is composed of a laminated body 57 and a yoke portion 51. The laminated body 57 and the yoke portion 51 are each configured by laminating thin sheets of electromagnetic steel sheets, and the laminated thin sheets are integrated by laminating caulking, welding, bonding and the like. A collar portion 53 protruding in the circumferential direction is formed on the surface side of the tooth portion 52 of the laminated body 57 facing the rotor 20. Due to the brim portion 53, the surface of the tooth portion 52 facing the rotor 20 has an asymmetric shape in the circumferential direction of the rotor 20. The shape of the tooth portion 52 is not limited to the shape in which the brim portion 53 is provided on only one side, and as shown in FIG. 6, the brim portions 53 are formed on both sides, and the brim portions 53 on both sides have different lengths. It may have such a shape. Further, the laminated body 57 is provided with a frame portion 54 for fitting with the yoke portion 51. An open portion 58 that interrupts the frame portion 54 is provided in a region of the frame portion 54 opposite to the brim portion 53. The open portion 58 can cut off the path of the eddy current generated by the magnetic flux flowing in the yoke portion 51, reduce the energy loss, and improve the efficiency of the electric motor.
ティース部５２の回転子２０と対向する面側は、ツバ部５３により周方向に非対称に形成されている。図７のようにツバ部５３の延びる方向が反転するようにティース部５２を重ねた状態で、図８のようにティース部５２に巻線１１が施される。ツバ部５３の方向が反転するようにティース部５２を重ねることで、図９のようにティース部５２を回転子２０と対向するように配置した際、ティース部５２の回転子２０との対向面は、螺旋状に配置された磁性領域２１および２２の配置（傾き）に沿う配置となる。これにより、回転子２０の磁界を鉄心５０が効率よく受けることができ、電動機の高効率化につながる。
The surface side of the tooth portion 52 facing the rotor 20 is formed asymmetrically in the circumferential direction by the brim portion 53. As shown in FIG. 7, in a state in which the teeth portions 52 are overlapped so that the extending direction of the brim portions 53 is reversed, the teeth 11 are provided with the windings 11 as shown in FIG. 8. By arranging the teeth portion 52 so that the direction of the brim portion 53 is reversed, when the teeth portion 52 is arranged so as to face the rotor 20 as shown in FIG. 9, a surface of the teeth portion 52 facing the rotor 20. Is an arrangement along the arrangement (inclination) of the magnetic regions 21 and 22 arranged in a spiral shape. As a result, the magnetic field of the rotor 20 can be efficiently received by the iron core 50, leading to higher efficiency of the electric motor.
図１０に示すように、ティース部５２に巻線１１が施された積層体５７は、枠部５４に挿入された絶縁材（樹脂）製のプレート５５により位置決めがされる。この状態において、枠部５４にヨーク部５１を挿通することで、図１２のように電機子１０が一体化される。この一体化された状態において、積層体５７の薄板磁性鋼板の積層方向と、ヨーク部５１の薄板磁性鋼板の積層方向とは、互いに９０度異なっている。各ティース部５２はヨーク部５１によって磁気的に連結されるが、この構造により、ヨーク部５１内における渦電流の発生を低減でき、発熱の少ないエネルギー効率の高い電機子１０を実現することができる。プレート５５には、図１１に示すように、突起（突条）５５１が周期的に設けられており、この突起５５１により、ティース部５２の間隔が決められている。一体化された電機子１０は、積層体５７とヨーク部５１との結合を強固にするため、ワニスやポッティング材により固めてもよい。
As shown in FIG. 10, the laminated body 57 in which the teeth portion 52 is provided with the winding wire 11 is positioned by the plate 55 made of an insulating material (resin) inserted into the frame portion 54. In this state, by inserting the yoke portion 51 into the frame portion 54, the armature 10 is integrated as shown in FIG. In this integrated state, the laminating direction of the thin magnetic steel plates of the laminated body 57 and the laminating direction of the thin magnetic steel plates of the yoke portion 51 are different from each other by 90 degrees. The teeth portions 52 are magnetically coupled by the yoke portion 51. With this structure, the generation of eddy currents in the yoke portion 51 can be reduced, and the armature 10 with less heat generation and high energy efficiency can be realized. .. As shown in FIG. 11, projections (projections) 551 are periodically provided on the plate 55, and the projections 551 determine the intervals between the teeth portions 52. The integrated armature 10 may be hardened with a varnish or potting material in order to strengthen the connection between the laminated body 57 and the yoke portion 51.
２つの電機子１０は、図１３に示すように、フレーム３０により連結される。フレーム３０は、電機子１０のヨーク部５１に接合されている。フレーム３０とヨーク部５１との接合方法は、溶接であってもよいし、接着であってもよい。フレーム３０には、軸受３１が設けられている。端板４０に固定されたシャフト７０が、この軸受３１を通るように電機子１０が電動機に設置される。この構成により、電機子１０は回転子２０に平行に動く構造となる。また、フレーム３０には、位置センサ３２が設けられている。位置センサ３２は軸受３１を介してフレーム３０に取り付けられている。位置センサ３２は、シャフト７０に設けられたスケールパターンを光学的に読み取ることで、回転子２０の回転軸方向における電機子１０の位置を検出し、電機子１０の位置情報を検出信号として出力する。なお、ここでは可動側である電機子１０に位置センサ３２を設けたが、固定側、例えば、図示しない電動機の筐体等に、位置センサ３２を設けても良い。
The two armatures 10 are connected by a frame 30 as shown in FIG. The frame 30 is joined to the yoke portion 51 of the armature 10. The method of joining the frame 30 and the yoke portion 51 may be welding or bonding. A bearing 31 is provided on the frame 30. The armature 10 is installed in the electric motor so that the shaft 70 fixed to the end plate 40 passes through the bearing 31. With this configuration, the armature 10 has a structure that moves parallel to the rotor 20. A position sensor 32 is provided on the frame 30. The position sensor 32 is attached to the frame 30 via a bearing 31. The position sensor 32 detects the position of the armature 10 in the rotation axis direction of the rotor 20 by optically reading the scale pattern provided on the shaft 70, and outputs the position information of the armature 10 as a detection signal. .. Although the position sensor 32 is provided on the movable armature 10 here, the position sensor 32 may be provided on the fixed side, for example, on the casing of an electric motor (not shown) or the like.
図１４は回転子２０に対向して２つの電機子１０が配置された状態を示す模式図である。Ｕ、Ｖ、Ｗの３相のティースに対し、Ｎ極とＳ極の一対の磁極（磁性領域）が正対するように配置されている。回転軸方向における回転子２０の磁極の１周期分を３６０度（電気角）として表した場合、回転子２０の隣り合う磁極のピッチは１８０度であり、隣り合うティースのピッチは１２０度である。また、対向して配置されるティース部５２は、互いに回転子２０の回転軸方向に微小角度（電気角）分位相をずらして配置されている。図１３では、対向して配置された２つの電機子１０は、回転子２０の磁極に対する位相が互いに電気角で３０度分ずれる位置に配置されている。このように、位相をずらすことで、電機子１０と回転子２０との間に発生するコギングトルクを低減し、位置精度を向上することができる。
FIG. 14 is a schematic diagram showing a state in which two armatures 10 are arranged facing the rotor 20. A pair of magnetic poles (magnetic regions) of N and S poles are arranged so as to face the three-phase teeth of U, V, and W. When one cycle of the magnetic poles of the rotor 20 in the rotation axis direction is represented as 360 degrees (electrical angle), the pitch of the adjacent magnetic poles of the rotor 20 is 180 degrees, and the pitch of the adjacent teeth is 120 degrees. .. Further, the teeth parts 52 arranged to face each other are arranged with their phases shifted from each other by a minute angle (electrical angle) in the rotation axis direction of the rotor 20. In FIG. 13, the two armatures 10 arranged to face each other are arranged at positions where the phases of the rotor 20 with respect to the magnetic poles deviate from each other by an electrical angle of 30 degrees. By shifting the phase in this way, the cogging torque generated between the armature 10 and the rotor 20 can be reduced, and the position accuracy can be improved.
次に、回転子２０の作用について、図１５を用いて説明する。図１５は回転子２０の側面図である。前述のとおり、回転子２０の外周面にはＮ極の磁性領域２１およびＳ極の磁性領域２２が交互となるように螺旋状に配置されている。回転子２０の回転軸を通る平面で見た場合、回転子２０を回転させると図１５に示すように磁性領域の位置が回転子２０の軸方向に移動する。したがって、シャフト７０により回転方向の移動が規制された状態で回転子２０に対向するように配置された電機子１０にとっては、Ｎ極およびＳ極の磁性領域２１および２２が軸方向に移動するのと同様に作用する。例えば、ティース部５２に励磁される磁界を一定とした場合で考えると、回転子２０の磁性領域２１および２２に対し、特定の位相で釣り合いがとれて停止するが、この状態で回転子２０を回転させた場合、前述の磁性領域２１および２２の実質的な移動により、電機子１０に対し回転子２０の軸方向の駆動力が付与される。また、回転子２０を回転させる方向を反転させれば、電機子１０に付与される駆動力の方向も反転する。そして、回転子２０の回転量と、磁性領域２１および２２の実質的な移動量とは、比例関係にある。したがって、本発明の実施の形態１に係る電動機においては、回転機６０を介し回転子２０の回転を制御することで、電機子１０を軸方向の任意の方向に移動させる駆動力発生させることができる。また、ティース部５２に励磁される磁界を一定とした状態で回転子２０を一定速度で回転させると、電機子１０を一定速度で回転軸方向に移動させることができるが、この状態で電機子１０の通電を制御することで、回転子２０を固定させた状態で電機子１０の通電を制御した場合に比べ、電機子１０を早く移動させることができる。
Next, the operation of the rotor 20 will be described with reference to FIG. FIG. 15 is a side view of the rotor 20. As described above, the magnetic regions 21 of the N poles and the magnetic regions 22 of the S poles are spirally arranged on the outer peripheral surface of the rotor 20 so as to alternate with each other. When viewed in a plane passing through the rotation axis of the rotor 20, when the rotor 20 is rotated, the position of the magnetic region moves in the axial direction of the rotor 20, as shown in FIG. Therefore, for the armature 10 arranged so as to face the rotor 20 in a state where movement in the rotation direction is restricted by the shaft 70, the magnetic regions 21 and 22 of the N pole and the S pole move in the axial direction. Works the same as. For example, when the magnetic field excited by the teeth portion 52 is considered to be constant, the magnetic regions 21 and 22 of the rotor 20 are balanced and stopped at a specific phase. When rotated, the driving force in the axial direction of the rotor 20 is applied to the armature 10 by the substantial movement of the magnetic regions 21 and 22 described above. Moreover, if the direction in which the rotor 20 is rotated is reversed, the direction of the driving force applied to the armature 10 is also reversed. The amount of rotation of the rotor 20 and the substantial amount of movement of the magnetic regions 21 and 22 are in a proportional relationship. Therefore, in the electric motor according to Embodiment 1 of the present invention, by controlling the rotation of the rotor 20 via the rotating machine 60, it is possible to generate a driving force that moves the armature 10 in an arbitrary axial direction. it can. Further, when the rotor 20 is rotated at a constant speed in a state where the magnetic field excited by the tooth portion 52 is constant, the armature 10 can be moved in the rotation axis direction at a constant speed. By controlling the energization of the armature 10, the armature 10 can be moved faster than when the energization of the armature 10 is controlled while the rotor 20 is fixed.
図１６は、本発明の実施の形態１に係る電動機の制御システムを示す模式図である。回転子２０に沿って電機子１０が配置されるとともに、回転機６０の駆動軸が回転子２０に連結されている。なお、ここでは回転機６０の駆動軸と回転子２０とは、同軸状に配置されて直接連結されているが、ベルトとプーリーとを介して連結される等、伝達機構を介して連結されてもよい。制御装置９０１には、外部装置から入力される電機子１０の制御目標位置に関する位置指令値と、位置センサ３２からの電機子１０の位置を表す位置情報と、回転機６０に内蔵された回転位置センサ６１からの回転子２０の回転位置を表す回転位置情報と、が入力される。制御装置９０１は、位置指令値と電機子１０の位置との差分を基に、差分が０となる方向に電機子１０を移動させるべく、インバータ９０２およびインバータ９０３の制御信号を生成し供給する。インバータ９０２は、制御装置９０１から供給される制御信号に基づき、回転機６０の駆動信号を生成する。また、インバータ９０３は、制御装置９０１から供給される制御信号に基づき、電機子１０の駆動信号を生成する。インバータ９０２およびインバータ９０３への制御信号を生成する際は、位置指令値と電機子１０の位置との差分値とその変化を基に、電機子１０を移動させる制御量（速度）を算出した上で、その制御量を２つの動力源である電機子１０と回転機６０とに割り振ればよい。割り振る前の制御量の算出方法は一般的な方法を用いればよく、例えばＰＩＤ制御を用いればよい。インバータ９０２へ供給する制御信号は、回転機６０に割り振られた制御量と、回転位置センサ６１からの回転位置情報とに基づき作成すればよい。また、インバータ９０３へ供給する制御信号は、電機子１０と、位置センサ３２からの位置情報と、回転位置センサ６１からの回転位置情報とに基づき作成すればよい。ここでは、回転子２０が回転するため、回転子２０に形成された磁性領域２１および２２と、電機子との相対的な位置が変化するため、回転位置情報を考慮し、制御信号を生成する必要がある。この電動機は、電機子１０を駆動する２つの動力源を備えるため、制御量の最大値を大きくする（最高速度を高める）ことが可能である。なお、制御量は、電機子１０と回転機６０との駆動性能に応じた割合で割り振ればよい。ただし、高速の移動が必要ない場合は、電機子１０と回転機６０との両方の駆動力を使わず、一方の駆動力だけを使うようにしてもよい。例えば、電機子１０の駆動信号（通電相）を固定し、回転機６０の回転のみを制御して、電機子１０を目標位置に動かすよう制御を行ってもよい。あるいは、回転機６０の回転位置を固定し、電機子１０への通電を制御し、電機子１０を移動させるような制御を行ってもよい。回転機６０の回転位置を固定する際は、回転位置情報を用いたフィードバック制御（サーボロック）を用いるとよい。サーボロックにより回転軸の確実な固定が可能で、電機子１０の位置制御が容易となる。また、位置指令値と電機子１０の位置との差分に応じ、制御方法を切換えてもよい。例えば、差分が事前に定めた閾値よりも大きいときは、電機子１０と回転機６０との両方の駆動力を使い電機子１０を移動させ、差分が閾値以下となったときは、回転機６０の回転位置を固定し、電機子１０の駆動力にて電機子１０を目標位置に移動させるように、電動機を制御してもよい。制御パラメータは適宜切り替える必要があるが、このように制御することで、差分が大きいときは高速で移動させて応答性を高めることができ、差分が小さいときには電機子１０のみを移動させることで制御を簡単にすることができる。また、この場合、回転機６０の制御は、位置指令値と電機子１０の位置との差分の正負に応じ、回転子２０の回転方向を切り替えるだけの制御であってもよい。
FIG. 16 is a schematic diagram showing a control system for an electric motor according to the first embodiment of the present invention. The armature 10 is arranged along the rotor 20, and the drive shaft of the rotating machine 60 is connected to the rotor 20. Although the drive shaft of the rotating machine 60 and the rotor 20 are coaxially arranged and directly connected to each other here, they are connected to each other via a transmission mechanism such as a belt and a pulley. Good. The control device 901 includes a position command value regarding a control target position of the armature 10 input from an external device, position information indicating the position of the armature 10 from the position sensor 32, and a rotation position built in the rotating machine 60. The rotation position information indicating the rotation position of the rotor 20 from the sensor 61 is input. Based on the difference between the position command value and the position of the armature 10, the control device 901 generates and supplies control signals for the inverter 902 and the inverter 903 to move the armature 10 in the direction in which the difference becomes zero. The inverter 902 generates a drive signal for the rotating machine 60 based on the control signal supplied from the control device 901. The inverter 903 also generates a drive signal for the armature 10 based on the control signal supplied from the control device 901. When generating the control signals to the inverter 902 and the inverter 903, the control amount (speed) for moving the armature 10 is calculated based on the difference value between the position command value and the position of the armature 10 and its change. Then, the control amount may be allocated to the armature 10 and the rotating machine 60, which are two power sources. A general method may be used to calculate the control amount before allocation, and for example, PID control may be used. The control signal supplied to the inverter 902 may be created based on the control amount assigned to the rotating machine 60 and the rotational position information from the rotational position sensor 61. The control signal supplied to the inverter 903 may be created based on the armature 10, the position information from the position sensor 32, and the rotational position information from the rotational position sensor 61. Here, since the rotor 20 rotates, the relative positions of the magnetic regions 21 and 22 formed on the rotor 20 and the armature change, so that the control signal is generated in consideration of the rotational position information. There is a need. Since this electric motor includes two power sources that drive the armature 10, it is possible to increase the maximum value of the control amount (increase the maximum speed). The control amount may be assigned at a rate according to the driving performance of the armature 10 and the rotating machine 60. However, if high-speed movement is not required, the driving force of both the armature 10 and the rotating machine 60 may not be used, and only one driving force may be used. For example, the drive signal (energized phase) of the armature 10 may be fixed, and only the rotation of the rotating machine 60 may be controlled to move the armature 10 to the target position. Alternatively, the rotation position of the rotating machine 60 may be fixed, the energization of the armature 10 may be controlled, and the armature 10 may be moved. When fixing the rotational position of the rotating machine 60, feedback control (servo lock) using rotational position information may be used. The rotation lock can be securely fixed by the servo lock, and the position control of the armature 10 becomes easy. Further, the control method may be switched according to the difference between the position command value and the position of the armature 10. For example, when the difference is larger than a predetermined threshold value, the armature 10 is moved by using the driving force of both the armature 10 and the rotating machine 60, and when the difference becomes less than or equal to the threshold value, the rotating machine 60 The motor may be controlled so that the rotation position of the armature is fixed and the armature 10 is moved to the target position by the driving force of the armature 10. It is necessary to switch the control parameters as appropriate, but by controlling in this way, it is possible to move at a high speed when the difference is large to enhance the responsiveness, and to control by moving only the armature 10 when the difference is small. Can be simplified. Further, in this case, the control of the rotating machine 60 may be a control that simply switches the rotation direction of the rotor 20 depending on whether the difference between the position command value and the position of the armature 10 is positive or negative.
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る電動機について説明する。実施の形態２に係る電動機は、実施の形態１に係る電動機と比べ、電機子１０を構成する鉄心５０の構造が異なるものである。電機子１０以外の構成については、実施の形態１に係る電動機と同じであり、説明を省略する。 Embodiment 2.
An electric motor according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The electric motor according to the second embodiment differs from the electric motor according to the first embodiment in the structure ofiron core 50 that constitutes armature 10. The configuration other than the armature 10 is the same as that of the electric motor according to the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
本発明の実施の形態２に係る電動機について説明する。実施の形態２に係る電動機は、実施の形態１に係る電動機と比べ、電機子１０を構成する鉄心５０の構造が異なるものである。電機子１０以外の構成については、実施の形態１に係る電動機と同じであり、説明を省略する。 Embodiment 2.
An electric motor according to Embodiment 2 of the present invention will be described. The electric motor according to the second embodiment differs from the electric motor according to the first embodiment in the structure of
図１７は鉄心５０を構成する一組の薄板の積層体５６の斜視図であり、図１８は積層体５６の上面図である。積層体５６は電磁鋼板の薄板が積層されて構成されている。積層体５６は、１８０度異なる方向から回転子の外周面に対向するように形成された２つのティース部５２が、回転子２０が配置される領域を迂回するように形成されたコの字型（Ｕ字型）のヨーク部５１で連結される構造となっている。このヨーク部５１により、２つのティース部５２は磁気的に連結される。また、ティース部５２の先端側（回転子２０と対向する側）には、ツバ部５３が形成されている。２つのティース部５２のツバ部５３は、同一の方向、ここではヨーク部５１側に延びて形成されている。また、図１８のように、２つのティース部５２は、薄板の積層方向（組付け後においては回転軸方向）に互いにずれた、異なる位置で向かい合う形状となっている。
FIG. 17 is a perspective view of a set of thin plate laminated bodies 56 that constitute the iron core 50, and FIG. 18 is a top view of the laminated body 56. The laminated body 56 is configured by laminating thin electromagnetic steel plates. In the laminated body 56, two teeth portions 52 formed so as to face the outer peripheral surface of the rotor from directions different from each other by 180 degrees are U-shaped so as to bypass the region where the rotor 20 is arranged. The structure is such that they are connected by a (U-shaped) yoke portion 51. The two tooth portions 52 are magnetically coupled by the yoke portion 51. Further, a brim portion 53 is formed on the tip end side (the side facing the rotor 20) of the tooth portion 52. The brim portions 53 of the two tooth portions 52 are formed so as to extend in the same direction, here, to the yoke portion 51 side. In addition, as shown in FIG. 18, the two teeth portions 52 have a shape facing each other at different positions, which are offset from each other in the stacking direction of the thin plates (rotational axis direction after assembly).
積層体５６は、ヨーク部５１の位置が互い違いとなるように、回転軸を中心に順次１８０度ずつ回転させて、隣り合う積層体５６のティース部５２同士が接するよう配置される。そして、接するように配置されたティース部５２には巻線１１が施されて連結される。なお、隣接して配置されたティース部５２のツバ部５３は、回転子２０の周方向に、互いに逆向きに延びている。このツバ部５３の配置の効果は、実施の形態１と同様である。図１９は、2つの積層体５６が配置された状態であり、図２０は、接するように配置されたティース部５２に巻線１１が施された状態を表している。２つの積層体５６が連結された後は、図２１のように３つ目の積層体５６が配置され、図２２のようにティース部５２に巻線１１が施される。このような積層体５６を配置する工程と巻線１１を施す工程とを繰り返すことで、図２３のように鉄心５０が組みあがる。図２３は鉄心５０の斜視図であり、図２４は鉄心５０の上面図である。図２４のように、電機子１０が組みあがった際、対向するティース部５２が互い違いに配置される構成となる。鉄心５０にフレーム３０を取り付けることで、図２５の電機子１０が完成する。隣り合う積層体５６の間には、スペーサが挿入されている。回転子２０に対向して電機子１０が配置された状態を図２６に示す。図２６では、ヨーク部５１は図示していないが、ヨーク部５１で連結される順に、ティース部５２にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線１１が巻回されている。なお、図示しないが、積層体５６のヨーク部５１の曲げ量を調子することで、回転子２０に向かって対向するティース部５２のグループ（図２６の左側に配列されているティース部５２のグループと、右側に配列されているティース部５２のグループ）毎に、回転子２０の磁極に対する位相をずらすことが可能である。例えば、図２６における左側に配列されたティース部５２から、右側に配列されたティース部５２を連結するヨーク部５１については、回転子２０の回転軸方向に電気角で３０度分ずれるように折り曲げたものを用い、右側に配列されたティース部５２から、左側に配列されたティース部５２を連結するヨーク部５１については、回転子２０の回転軸方向に電気角で９０度分ずれるように折り曲げたものを用いる。ヨーク部５１の曲げ量の異なる２種類の積層体５６を用いる必要があるが、このような構成とすると、両グループ間で回転子２０の磁性領域に対する位相をずらすことができ、電機子１０と回転子２０との間に発生するコギングトルクを低減し、位置精度を向上することができる。
The laminated body 56 is arranged so that the teeth portions 52 of the adjacent laminated bodies 56 are in contact with each other by sequentially rotating the laminated body 56 by 180 degrees about the rotation axis so that the positions of the yoke portions 51 are staggered. Then, the teeth portion 52 arranged so as to be in contact with each other is provided with the winding 11 and connected. The brim portions 53 of the tooth portions 52 arranged adjacent to each other extend in opposite directions in the circumferential direction of the rotor 20. The effect of the arrangement of the brim portion 53 is similar to that of the first embodiment. FIG. 19 shows a state in which the two laminated bodies 56 are arranged, and FIG. 20 shows a state in which the winding wire 11 is applied to the tooth portions 52 arranged so as to be in contact with each other. After the two stacked bodies 56 are connected, the third stacked body 56 is arranged as shown in FIG. 21, and the winding 11 is applied to the tooth portion 52 as shown in FIG. By repeating the step of disposing the laminated body 56 and the step of applying the winding wire 11, the iron core 50 is assembled as shown in FIG. FIG. 23 is a perspective view of the iron core 50, and FIG. 24 is a top view of the iron core 50. As shown in FIG. 24, when the armature 10 is assembled, the teeth portions 52 facing each other are arranged alternately. By attaching the frame 30 to the iron core 50, the armature 10 in FIG. 25 is completed. Spacers are inserted between the adjacent stacked bodies 56. FIG. 26 shows a state in which the armature 10 is arranged so as to face the rotor 20. Although the yoke portion 51 is not shown in FIG. 26, the U-phase, V-phase, and W-phase windings 11 are wound around the teeth portion 52 in the order in which the yoke portion 51 is connected. Although not shown, by adjusting the bending amount of the yoke portion 51 of the laminated body 56, a group of the tooth portions 52 facing the rotor 20 (a group of the tooth portions 52 arranged on the left side of FIG. 26). Then, it is possible to shift the phase with respect to the magnetic poles of the rotor 20 for each group of the tooth portions 52 arranged on the right side. For example, the yoke portion 51 that connects the tooth portions 52 arranged on the right side to the tooth portions 52 arranged on the left side in FIG. 26 is bent so as to be displaced by 30 degrees in electrical angle in the rotation axis direction of the rotor 20. The yoke portion 51 connecting the tooth portions 52 arranged on the right side to the tooth portions 52 arranged on the left side is bent so that they are deviated by an electrical angle of 90 degrees in the rotation axis direction of the rotor 20. Use the one. It is necessary to use two types of laminated bodies 56 having different bending amounts of the yoke portion 51. With such a configuration, the phase with respect to the magnetic region of the rotor 20 can be shifted between both groups, and the armature 10 and The cogging torque generated between the rotor 20 and the rotor 20 can be reduced, and the position accuracy can be improved.
この構成の電機子１０では、鉄心５０にティース部５２とヨーク部５１とが一体化した積層体５６を用いているため、実施の形態１の電機子１０と比較して、鉄心５０を構成する部品の数を削減することができる。また、ヨーク部５１が回転子２０を取り囲む構造となるため、回転子２０で発生する磁束がヨーク部５１内に誘導され、電機子１０の外部への磁束の漏れを低減することができる。
In the armature 10 having this configuration, since the laminated body 56 in which the teeth portion 52 and the yoke portion 51 are integrated is used in the iron core 50, the iron core 50 is configured as compared with the armature 10 of the first embodiment. The number of parts can be reduced. Further, since the yoke portion 51 has a structure that surrounds the rotor 20, the magnetic flux generated in the rotor 20 is induced in the yoke portion 51, and the leakage of the magnetic flux to the outside of the armature 10 can be reduced.
なお、実施の形態１および２の電動機は、ティース部５２が、回転子２０の両側２方向に整列して配置されたものであったが、ティース部５２の配列は、これらに限定されない。例えば、回転子２０の径方向１方向だけにティース部５２が配列されるものであってもよいし、回転子２０の径方向４方向にティース部５２を配列するものであってもよい。いずれの場合であっても、電機子１０の駆動力と、回転機６０の回転による駆動力との両方を用いることで、電機子１０の移動速度を高めることが可能である。
In the electric motors of the first and second embodiments, the tooth portions 52 are arranged in two directions on both sides of the rotor 20, but the arrangement of the tooth portions 52 is not limited to these. For example, the tooth portions 52 may be arranged only in one radial direction of the rotor 20, or the tooth portions 52 may be arranged in four radial directions of the rotor 20. In either case, the moving speed of the armature 10 can be increased by using both the driving force of the armature 10 and the driving force of the rotation of the rotating machine 60.
１０ 電機子、１１ 巻線、２０ 回転子、２１ 磁性領域、２２ 磁性領域、３０ フレーム、３１ 軸受、３２ 位置センサ、４０ 端板、５０ 鉄心、５１ ヨーク部、５２ ティース部、５３ ツバ部、５４ 枠部、５５ プレート、５５１ 突起、５６ 積層体、５７ 積層体、５８ 開放部、６０ 回転機、６１ 回転位置センサ、７０ シャフト、８０ スペーサ、９０１ 制御装置、９０２ インバータ、９０３ インバータ。
10 armatures, 11 windings, 20 rotors, 21 magnetic areas, 22 magnetic areas, 30 frames, 31 bearings, 32 position sensors, 40 end plates, 50 iron cores, 51 yoke parts, 52 teeth parts, 53 brim parts, 54 Frame part, 55 plate, 551 protrusion, 56 laminate, 57 laminate, 58 open part, 60 rotating machine, 61 rotational position sensor, 70 shaft, 80 spacer, 901 control device, 902 inverter, 903 inverter.
Claims (5)
- Ｎ極およびＳ極の磁性領域が回転軸方向に交互に配列されるように、前記Ｎ極及びＳ極の磁性領域が螺旋状に配置された外周面を備える回転子と、
前記回転子に連結され、前記回転子を回転駆動する回転機と、
前記回転子の前記外周面に対向して設けられたティース部を有する鉄心と前記鉄心に巻回された巻線とを備え、前記巻線への通電により前記回転軸方向に駆動される電機子と、
前記電機子が前記回転軸方向に移動するように案内し、前記電機子が前記回転子の周方向に移動するのを規制するガイド部材と、
を備えることを特徴とする直動電動機。 A rotor having an outer peripheral surface in which the N-pole and S-pole magnetic regions are spirally arranged so that the N-pole and S-pole magnetic regions are alternately arranged in the rotation axis direction;
A rotating machine that is connected to the rotor and rotationally drives the rotor;
An armature provided with an iron core having teeth portions provided facing the outer peripheral surface of the rotor and a winding wound around the iron core, and driven in the rotation axis direction by energizing the winding. When,
A guide member that guides the armature to move in the rotation axis direction and restricts the armature from moving in the circumferential direction of the rotor,
A direct drive motor characterized by comprising: - 前記鉄心は、複数の薄板が積層されて構成されており、前記複数の薄板の各々は、前記ティース部の先端であって前記回転子の前記外周面との対向面を構成する部分が前記回転子の周方向に非対称な形状となっており、前記ティース部の前記回転子との前記対向面が前記Ｎ極およびＳ極の磁性領域の配置に沿うように、前記鉄心を構成する前記複数の薄板が向きを異ならせて積層されていることを特徴とする請求項１に記載の直動電動機。 The iron core is configured by laminating a plurality of thin plates, and each of the plurality of thin plates is a tip of the teeth portion, and a portion that constitutes a surface facing the outer peripheral surface of the rotor is the rotation. The iron core is asymmetrical in the circumferential direction of the child, and the plurality of the iron cores are arranged so that the facing surface of the tooth portion with the rotor is along the arrangement of the magnetic regions of the N pole and the S pole. The direct drive motor according to claim 1, wherein the thin plates are laminated in different directions.
- 前記鉄心は、前記回転軸方向に配列された複数の前記ティース部を磁気的に連結するヨーク部を備え、前記ティース部および前記ヨーク部は、薄板を積層して構成されており、前記ティース部を構成する前記薄板の積層方向と前記ヨーク部を構成する前記薄板の積層方向とが９０度異なっていることを特徴とする請求項１に記載の直動電動機。 The iron core includes a yoke portion that magnetically connects the plurality of teeth portions arranged in the rotation axis direction, and the teeth portion and the yoke portion are configured by laminating thin plates, and the teeth portion is provided. The direct-drive motor according to claim 1, wherein a laminating direction of the thin plates constituting the above is different from a laminating direction of the thin plates constituting the yoke portion by 90 degrees.
- 前記ティース部を構成する前記薄板は前記ヨーク部が挿通される枠部を有し、前記枠部は前記ヨーク部が挿通された状態において前記ヨーク部の周りで前記枠部が途切れる開放部を備えることを特徴とする請求項３に記載の直動電動機。 The thin plate that constitutes the teeth portion has a frame portion through which the yoke portion is inserted, and the frame portion includes an opening portion that cuts the frame portion around the yoke portion when the yoke portion is inserted. The direct drive motor according to claim 3, wherein
- 前記鉄心は、前記回転軸方向に異なる位置において１８０度異なる方向から前記回転子の前記外周面に対向する一対の前記ティース部と、前記回転子を迂回して一対の前記ティース部を連結するヨーク部と、を備える薄板の積層体を複数備え、前記複数の積層体は、交互に前記回転子の回転軸を中心に１８０度ずつ回転した状態で、隣接する前記積層体の前記ティース部同士が重なり連結されていることを特徴とする、請求項１に記載の直動電動機。 The iron core includes a pair of the teeth portions facing the outer peripheral surface of the rotor from different directions by 180 degrees at different positions in the rotation axis direction, and a yoke that bypasses the rotor and connects the pair of teeth portions. A plurality of thin plate laminated bodies each including a portion, and the plurality of laminated bodies are alternately rotated about the rotation axis of the rotor by 180 degrees, and the teeth portions of the adjacent laminated bodies are adjacent to each other. The direct drive motor according to claim 1, wherein the linear drive motors are connected in an overlapping manner.
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