JP2005237078A - リニア同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率を向上させることができ、モータ定数の向上やロバスト性を向上させ得るリニア同期モータを提供する。
【解決手段】リニア同期モータの冷却効果を高める構造をとる。すなわち、リニア同期モータは、一対の上下部のヨーク１０ａ、１０ｂを備えており、上下部のヨーク１０ａ、１０ｂの対向面には複数個の永久磁石が配置されている。上下部のヨーク１０ａ、１０ｂ間の中央部分にはセンターヨーク５０が配置され、このセンターヨーク５０の外周には環状の第１、第２の三相コイル６ａ、６ｂが配置されている。上下部のヨーク１ａ、１ｂの対向面に配置される上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、…および下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ…が、同一の鉛直線上においては同一極性の永久磁石が対向するように配置されている。センターヨーク５０は、冷却通路５００としての筒状体５００ａを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニア同期モータに係わり、特に除振・制振装置の微振動制御やナノメートル単位の超精密度で位置決めする場合に有用なリニア同期モータに関する。

大推力を必要とする機械工作機や半導体製造装置等において多用されているリニア同期モータとして、たとえば、特開２００２−２３８２４０号公報（特許文献１）に開示されている技術が知られている。その概略構成を図３（Ａ）〜（Ｃ）に図解する。

図３（Ａ）において、リニア同期モータは、下記のものを備えている。
（ａ）平行に離間して配置された一対のヨーク１ａ、１ｂ
（ｂ）上記一対のヨーク１ａ、１ｂのうち、図３（Ａ）の上部位置に配置された一方のヨーク１ａ（以下「上部のヨーク１ａ」という。）の対向面に長手方向に沿って配置された複数個の永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…（以下「上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…」と言い、永久磁石Ｓ１ａを「第１のＳ極の上部永久磁石」と言い、永久磁石Ｎ１ａを「第１のＮ極の上部永久磁石」と言い、永久磁石Ｓ２ａを「第２のＳ極の上部永久磁石」と言い、永久磁石Ｎ２ａを「第２のＮ極の上部永久磁石２ａ」という。）、
（ｃ）下部位置に配置されたヨーク１ｂ（以下「下部のヨーク１ｂ」という。）の対向面に長手方向に沿って配置された複数個の永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…（以下「下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…」と言い、以下、永久磁石Ｓ１ｂを「第１のＳ極の下部永久磁石１ｂ」と言い、永久磁石Ｎ１ｂを「第１のＮ極の下部永久磁石１ｂ」と言い、永久磁石Ｓ２ｂを「第２のＳ極の下部永久磁石Ｓ２ｂ」と言い、永久磁石Ｎ２ｂを「第２のＮ極の下部永久磁石Ｎ２ｂ」という。）
（ｄ）上下部のヨーク１ａ、１ｂ間の中央部分に、上下部のヨーク１ａ、１ｂと平行に（以下「Ｘ方向」という。）移動可能に配置された可動部２

上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…および下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…は、同一の鉛直線上においては相異なる極性の永久磁石が対向するように、たとえば、第１のＮ極の上部永久磁石Ｎ１ａと第１のＳ極の下部永久磁石Ｓ１ｂが対向するように配置されている。
また、上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…は、長手方向に沿って相異なる極性の永久磁石が交互に位置するように、たとえば、第１のＮ極の上部永久磁石Ｎ１ａに隣接して第１のＳ極の上部永久磁石Ｓ１ａが、第１のＳ極の上部永久磁石Ｓ１ａに隣接して第２のＮ極の上部永久磁石Ｎ２ａが位置するように配置されている。
同様に、下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…も、長手方向に沿って相異なる極性の永久磁石が交互に位置するように、たとえば、第１のＳ極の下部永久磁石Ｓ１ｂに隣接して第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂが、第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂに隣接して第２のＳ極の下部永久磁石Ｓ２ｂ位置するように配置されている。

可動部２は、非磁性の補強板３と、補強板３の両面にそれぞれ設けられた扁平形状の三相コイル４ａ、４ｂとを備えている。

補強板３は、図４に示すように、矩形状で板状体を備えており、その両面にはそれぞれ３個の位置決め用の突起３１Ｕ，３１Ｖ、３１Ｗが等間隔で設けられており、また、各突起３１Ｕ，３１Ｖ、３１Ｗの周りには矩形環状の凹陥部３２Ｕ，３２Ｖ、３２Ｗがそれぞれ設けられている。

図３（Ａ）に図解した２個の三相コイル４ａ、４ｂは、図３（Ｂ）に図解したように、それぞれ矩形環状に形成されたＵ相コイル４Ｕ、Ｖ相コイル４ＶおよびＷ相コイル４Ｗを備えており、これらのＵ相コイル４Ｕ、Ｖ相コイル４ＶおよびＷ相コイル４Ｗは、図４に示すように、その中空部４１Ｕ（図３（Ｂ）参照），４１Ｖ（図３（Ｂ）参照）、４１Ｗを補強板３の位置決め用の突起３１Ｕ，３１Ｖ、３１Ｗに嵌着することにより、補強板３と一体化されている。

三相コイル４ａ、４ｂの長手方向（Ｘ方向）の寸法は、永久磁石の２個分の長手方向（Ｘ方向）の寸法、たとえば、第１のＳ極の上部永久磁石Ｓ１ａおよび第２のＮ極の上部永久磁石Ｎ２ａ（または第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂおよび第２のＳ極の下部永久磁石Ｓ２ｂ）の長手方向（Ｘ方向）の寸法と等しくなるように構成されている。

このような構成のリニア同期モータにおいては、同一鉛直線上に極性の異なる永久磁石が配置された、いわゆる横断磁束形の励磁構造が採用されていることから、たとえば、第１のＮ極の下部永久磁石から発生した磁束は、たとえば、Ｖ相コイル４Ｖを通り抜けて第１のＳ極の上部永久磁石Ｓ１ａを通り、隣接する第２のＮ極の上部永久磁石Ｎ２ａ、Ｖ相コイル４Ｖおよび第２のＳ極の下部永久磁石Ｓ２ｂを通り、元の第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂに戻る。
従って、このような磁界中に配置されたＵ相コイル４Ｕ、Ｖ相コイル４ＶおよびＷ相コイル４Ｗに三相交流電流を流すと、三相コイル４ａ、４ｂにフレミング左手の法則に基づく推力が発生することになる。
特開２００２−２３８２４０号公報

しかしながら、このような構成のリニア同期モータにおいては、次のような不利益に遭遇している。
第１の不利益は、可動部２がフラット状で、その厚さも薄く設計されていることから、捩り剛性が低く、可動部２に微振動が発生し易くなる。
第２の不利益は、可動部２に発生する微振動に起因して可動部２の速度や現在位置が変動し、かかる変動が位置センサーを介してフィードバックされ、より一層振動が増幅されることから、制御ゲインが低くなり、ひいては、ナノメートル単位での制御が困難になる。
第３の不利益は、磁石の磁界中に非磁性ボビンが介在し、磁石の磁束密度が低下し、大きな推力が得難い。さらに、リニア同期モータの出力を大きくしようとすると、発熱が多くなり、ひいては、周囲の温度が上昇し、熱膨張による誤差が生じ易くなる。

本発明の目的は、上述の不利益を克服するためになされたもので、高剛性で推力変動が小さく、また、発熱が少なく、超精密制御を容易に行なうことができる上、モータ定数や耐外乱性能を向上させることができるリニア同期モータを提供することにある。

本発明によれば、平行に離間して配置された一対のヨークと、各ヨークの対向面に長手方向に沿ってそれぞれ配置された複数個の永久磁石と、一対のヨーク間に前記ヨークと平行に配置されたセンターヨークと、センターヨークの外周に装着された環状の三相コイルとを備え、各永久磁石は、それぞれ、ヨークの対向位置においては同一極性の永久磁石が配置され、ヨークの長手方向においては相異なる極性の永久磁石が交互に配置され、センターヨークは、それ自身の内部に、センターヨークの長手方向に沿って冷却通路を備えた、リニア同期モータが提供される。

好ましくは、本発明のリニア同期モータにおける冷却通路は、矩形状の筒状体で構成されている。
また好ましくは、、本発明のリニア同期モータにおける筒状体は、センターヨークの長手方向に沿って２分割されたもので構成されている。
さらに好ましくは、本発明のリニア同期モータにおける筒状体は、鉛直面と平行な面でセンターヨークの長手方向に沿って分割されている。
さらに好ましくは、本発明のリニア同期モータにおける筒状体の内部には、パイプがセンターヨークの長手方向に沿って挿入されている。
また好ましくは、前記三相コイルは、ｕ相、−ｕ相、Ｗ相、−Ｗ相、Ｖ相、−Ｖ相に配列されている。

本発明のリニア同期モータによれば、センターヨークの内部に冷却通路が設けられていることから、冷却通路内に冷却媒体（冷却剤）を流すことができ、ひいては従来のリニア同期モータよりも冷却効率を向上させることができる。
さらに、センターヨークの外周に環状の三相コイルが装着されていることから、コイルの剛性を高くすることができ、ひいては推力変動を小さくすることができる。
さらに、超精密制御を容易に行なうことができる上、モータ定数や耐外乱性能を向上させることができる。
また三相コイルは、ｕ相、−ｕ相、Ｗ相、−Ｗ相、Ｖ相、−Ｖ相に配列すると、推力の立ち上がり特性を急峻にできる。

図１〜図２を参照して、本発明のリニア同期モータの好ましい実施の形態例について述べる。
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の１実施の形態のリニア同期モータの概略構成図であり、図２は本実施の形態のリニア同期モータにおける三相コイルの斜視図を示している。
なお、図１〜図２において、図３および図４と共通する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１（Ａ）において、本発明の実施の形態のリニア同期モータは、下記に列挙するものを備えている。
（ａ）筒状の外部ヨーク１０
（ｂ）外部ヨーク１０の上部内面１０ａ（以下「上部のヨーク１０ａ」という。）に長手方向に沿って配置された複数個の第１群の永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…（上部永久磁石群Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…）
（ｃ）外部ヨーク１０の下部内面１０ｂ（以下「下部のヨーク１０ｂ」という。）に長手方向に沿って配置された複数個の第２群の永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…（以下、「下部永久磁石群Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…）
（ｄ）外部ヨーク１０内に外部ヨーク１０の軸線に沿って移動可能に配置されたセンターヨーク５０
（ｅ）センターヨーク５０の外周に装着された環状の第１、第２の三相コイル６ａ、６ｂ

筒状の外部ヨーク１０の両端部には、両端部を閉塞するサイドヨーク１００ａ、１００ｂが設けられ、これらのサイドヨーク１００ａ、１００ｂにはセンターヨーク５０を貫通させる透孔２００ａ、２００ｂが設けられている。
なお、透孔２００ａ、２００ｂの口径は、センターヨーク５０の外径より若干大径に設定されている。

上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…および下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…は、同一の鉛直線上においては同一極性の永久磁石が対向するように、たとえば、第１のＳ極／Ｎ極の上部永久磁石Ｓ１ａ／Ｎ１ａと第１のＳ極／Ｎ極の下部永久磁石Ｓ１ｂ／Ｎ１ｂが対向するように配置されている。
また、上部永久磁石Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ、…は、長手方向に沿って相異なる極性の永久磁石が交互（Ｓ極、Ｎ極、…Ｓ極）に位置するように配置されている。
同様に、下部永久磁石Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ、…も、長手方向に沿って相異なる極性の永久磁石が交互（Ｓ極、Ｎ極、…Ｓ極）に位置するように配置されている。

センターヨーク５０は、センターヨーク５０の外周に装着された第１、第２の三相コイル６ａ、６ｂと共に、Ｘ方向に移動するように構成されている。
センターヨーク５０は、それ自身の内部に、センターヨーク５０の長手方向に沿って冷却通路５００が設けられ、冷却通路５００内には冷却媒体６０が流通されている。

図１（Ｂ）は本実施の形態のリニア同期モータのセンターヨーク５０の一実施例を示している。
センターヨーク５０は、冷却通路５００としての筒状体５００ａを備えており、この筒状体５００ａは、横断面視で略矩形状に形成されている。
本実施の形態においては、冷却通路５００としての筒状体５００ａが鉛直面（Ｘ方向と直交する面）と平行な面で分割したもので構成されている。ここで、筒状体５００ａを鉛直面と平行な面で分割したのは、上下部永久磁石の磁気吸引力からセンターヨーク５０（冷却通路５００としての筒状体５００ａ）の変形を防止するためである。
なお、図中符号５０ａ、５０ｂは、それぞれ分割された筒状体の半部（半体または半筒状体）を示している。

図１（Ｃ）は冷却通路５００としての筒状体５００ａの他の実施の形態を示している。図１（Ｃ）に図解した実施の形態においては、筒状体５００ａの内部に、筒状体５００ａと相似形で小寸法のパイプ５００ｂが軸方向に沿って挿入されている。
本実施の形態においては、筒状体５００ａを往路とし、パイプ５００ｂを復路として冷却媒体６０を循環させることができる。

第１の三相コイル６ａは、図２に示すように、たとえば、矩形環状に形成されたＵ相コイル６Ｕａ、Ｖ相コイル６ＶａおよびＷ相コイル６Ｗａを備えている。これらのＵ相コイル６Ｕａ、Ｖ相コイル６ＶａおよびＷ相コイル６Ｗａは、それぞれ同一の仕様で、たとえば、エナメル線等の導線を矩形環状に多層巻きしたもので形成され、導線間にエポキシ樹脂などの接着剤を浸透させることにより、矩形環状の形状を維持した状態で固着されている。
同様に、第２の三相コイル６ｂは、図２に示すように、たとえば、矩形環状に形成された−Ｕ相コイル６Ｕ、−Ｖ相コイル６Ｖおよび−Ｗ相コイル６Ｗを備えている。これらの−Ｕ相コイル６Ｕ、−Ｖ相コイル６Ｖおよび−Ｗ相コイル６Ｗは、第１の三相コイル６ａと同様にそれぞれ同一の仕様で形成され、接着剤により矩形環状の形状を維持した状態で固着されている。

第１、第２の三相コイル６ａ、６ｂを構成するＵ相コイル６Ｕａ、−Ｕ相コイル６Ｕｂ、Ｖ相コイル６Ｖａ、−Ｖ相コイル６ＶｂおよびＷ相コイル６Ｗａ、−Ｗ相コイル６Ｗｂは、次のようにして一体化されている。
すなわち、第１の三相コイル６ａのＵ相コイル６Ｕａに第２の三相コイル６ｂの−Ｕ相コイル６Ｕｂが隣接して配置され、第１の三相コイル６ａのＶ相コイル６Ｖａに第２の三相コイル６ｂの−Ｖ相コイル６Ｖｂが隣接して配置され、第１の三相コイル６ａのＷ相コイル６Ｗａに第２の三相コイル６ｂの−Ｗ相コイル６Ｗｂが隣接して配置され、これらの各相のコイルがそれぞれ中空部６２の軸芯を一致させてかつＸ方向に沿ってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相順で積層状態に配列されている。
また、各相のコイル間には非磁性の絶縁部材６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｄ、６１ｅが介挿されている。

上述した構成のリニア同期モータにおいては、同一鉛直線上に同一極性の永久磁石が配置された、いわゆる軸方向磁束形の励磁構造が採用されていることから、たとえば、第１のＮ極の上部永久磁石Ｎ１ａから発生する磁束は、三相コイル６を通り抜けセンターヨーク５０を経由して隣接する第２のＳ極の上部永久磁石Ｓ２ａを通り、元の第１のＮ極の上部永久磁石Ｎ１ａに戻る。
また、第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂから発生する磁束は、三相コイル６を通り抜けセンターヨーク５０を経由して隣接する第２のＳ極の下部永久磁石Ｓ２ｂを通り、元の第１のＮ極の下部永久磁石Ｎ１ｂに戻る。
したがって、このような磁界中に配置されたＵ相コイル６Ｕ、Ｖ相コイル６ＶおよびＷ相コイル６Ｗを一組とする第１の三相コイル６ａおよび−Ｕ相コイル６Ｕ、−Ｖ相コイル６Ｖおよび−Ｗ相コイル６Ｗを一組とする第２の三相コイル６ｂに三相交流電流を流すと、各相のコイルに「フレミング左手の法則」に基づく推力が発生し、これにより可動子としてのセンターヨーク５０がＸ方向に移動し、リニア同期モータとして効果的に動作する。

なお、前述の実施の形態においては、センターヨークの外周に第１、第２の三相コイルを装着しているが、第１の三相コイルまたは第２の三相コイルのみを装着してもよい。
また、第１、第２の三相コイルの相順はＵ相コイル、Ｗ相コイルおよびＶ相コイルの相順でもよい。
さらに、三相コイルはセンターヨークの外周に固着したものに限定されず、三相コイルをセンターヨークの外周に長手方向に移動可能に遊嵌してもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明のリニア同期モータによれば、センターヨークの内部に冷却通路が設けられていることから、冷却通路内に冷却媒体（冷却材または冷却剤）を流すことができ、強制的に冷却できる。その結果、従来のリニア同期モータよりも冷却効率を向上させることができる。
冷却材は、液体、気体など種々のものを用いることができる。

また、センターヨークの外周に環状の三相コイルが装着されていることから、コイルの剛性を高くすることができ、ひいては推力変動を小さくすることができる。
さらに、超精密制御を容易に行なうことができる上モータ定数や耐外乱性能（ロバスト性）を向上させることができる。

さらに、リニア同期モータ内の各相コイルは、永久磁石の最大磁束密度部で最大推力が得られることから、すなわち永久磁石による磁場の有効活用の程度が高くなり、推力定数が向上することから、必要なモータ電流が少なくなり、ひいてはジュール熱の低減を図ることができる。

また、リニア同期モータにおいて第１の三相コイルに対して第２の三相コイルを逆極性で配置した場合には、各相コイルからの動磁束が相互に相殺され、ヨークに発生する渦電流が殆どなくなり、鉄損を著しく減少させることができた。
さらに、三相コイルを、ｕ相、−ｕ相、Ｗ相、−Ｗ相、Ｖ相、−Ｖ相に配列すると、過渡的な推力の立ち上がり特性を急峻にできた。

図１（Ａ）は本発明の一実施の形態としてのリニア同期モータの概略説明図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に図解した本発明の一実施の形態としてのリニア同期モータにおけるセンターヨークの横断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）に図解した本発明の一実施の形態としてのリニア同期モータにおけるセンターヨークの横断面図である。 図２は図１（Ａ）〜（Ｃ）に図解した本発明の一実施の形態のリニア同期モータにおける三相コイルの斜視図である。 図３（Ａ）〜（Ｃ）は従来のリニア同期モータの概略説明図である。 図４は図３（Ａ）〜（Ｃ）に図解した従来のリニア同期モータにおける可動部の概略説明図である。

符号の説明

１０…外部ヨーク
１０ａ…上部内面（上部のヨーク）、１０ｂ…下部内面（下部のヨーク）
Ｓ１ａ、Ｎ１ａ、Ｓ２ａ、Ｎ２ａ…永久磁石（上部永久磁石）
Ｓ１ｂ、Ｎ１ｂ、Ｓ２ｂ、Ｎ２ｂ…永久磁石（下部永久磁石）
５…センターヨーク
６…三相コイル
６ａ…第１の三相コイル、６ｂ…第２の三相コイル
６Ｕａ…Ｕ相コイル、６Ｗａ…Ｗ相コイル、６Ｖａ…Ｖ相コイル
６Ｕｂ…−Ｕ相コイル、６Ｗｂ…−Ｗ相コイル、６Ｖｂ…−Ｖ相コイル
５０…センターヨーク
５００…冷却通路、５００ａ…筒状体、５００ｂ…パイプ
５０ａ、５０ｂ…分割された筒状体
６０…冷却媒体（冷却材、冷却剤）

Claims (6)

1. 平行に離間して配置された一対のヨークと、
   前記各ヨークの対向面に長手方向に沿ってそれぞれ配置された複数個の永久磁石からなる永久磁石群と、
   前記一対のヨーク間に前記ヨークと平行に配置されたセンターヨークと、
   前記センターヨークの外周に装着された環状の三相コイルと
   を備え、
   前記各永久磁石群にはそれぞれ、前記ヨークの対向位置においては同一極性の永久磁石が配置され、前記ヨークの長手方向においては相異なる極性の永久磁石が交互に配置されており、
   前記センターヨークは、その内部に、前記センターヨークの長手方向に沿って冷却剤が通過する冷却通路を備えている、
   リニア同期モータ。
2. 前記冷却通路は、矩形状の筒状体で構成されている、
   請求項１記載のリニア同期モータ。
3. 前記筒状体は、前記センターヨークの長手方向に沿って２分割されたもので構成されている、
   請求項２項記載のリニア同期モータ。
4. 前記筒状体は、鉛直面と平行な面で前記センターヨークの長手方向に沿って分割されている、
   請求項１記載のリニア同期モータ。
5. 前記筒状体の内部には、冷却剤が通過するパイプが前記センターヨークの長手方向に沿って挿入されている、
   請求項４記載のリニア同期モータ。
6. 前記三相コイルは、ｕ相、−ｕ相、Ｗ相、−Ｗ相、Ｖ相、−Ｖ相に配列されている、
   請求項１〜５のいずれかに記載のリニア同期モータ。

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