JP2006109653A

JP2006109653A - リニアモータ

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Publication number: JP2006109653A
Application number: JP2004294998A
Authority: JP
Inventors: Tsuneichi Kawai; 庸市川井
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: DE102005047819A1; US7154198B2; US20060076839A1; JP4473088B2; DE102005047819B4

Abstract

【課題】永久磁石を可動子に配置したリニアモータにおいて、Ｐ／３周期の推力リップルが発生する。
【解決手段】可動子ブロック５３，５４，５５に配置したＳＩＤＥ−Ａ側の永久磁石５９とＳＩＤＥ−Ｂ側の永久磁石６４は、それぞれの側から見た極性が同じになるように配置されている。一方、固定子５２ａ，５２ｂは、ピッチＰで突極５０が形成されており、電気角１８０度に相当するＰ／２だけずらして配置されている。従って、永久磁石５９，６４と固定子突極５０の位置は、ＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側でＸ軸方向に電気角１８０度に相当するＰ／２ピッチだけ相対的にずれるため、それぞれの側で発生する推力リップルもＰ／２ピッチだけずれた関係となる。その結果、ＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側の推力リップルは合成されＰ／３周期の推力リップルが相殺される。
【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は、工作機械等の産業機械で使用するリニアモータに関する。

従来から、工作機械等の産業機械では、高速、高精度化を実現するための手段としてリニアモータが使用されている。このようなリニアモータの中で、特に長ストロークの機械において、高価な永久磁石を可動子側に配置することで、永久磁石の使用量を少なくして、モータの低コスト化を実現した特許文献１に開示されているようなリニアモータがある。

図２（ａ）は、特許文献１に開示された従来のリニアモータである。
図２（ｂ）は、従来のリニアモータの永久磁石の着磁方向を示す図である。また、図３は、従来のリニアモータの交流巻線の接続を示す図である。図２（ａ）において、１２は固定子であり例えば工作機械のベッドに固定される。固定子１２は例えば電磁鋼板を積層して形成され、表面にはピッチＰで固定子突極１０が形成されている。また、１１は可動子であり例えば工作機械のテーブルに固定され、工作機械のベッドとテーブル間に設けたころがりガイド等で図中に示したＸ軸方向に移動可能に支持される。可動子１１も固定子１２と同様、例えば電磁鋼板を積層して形成される。さらに、１３，１４，１５は可動子１１を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のティースであり、それぞれがＸ軸方向に相対的に電気角１２０度に相当するＰ／３ピッチだけずらして配置されている。１６，１７，１８は各ティースに巻回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の交流巻線、１９は可動子１１の表面にＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，・・の順に交互に配置された永久磁石であり、各相ティースには図２（ｂ）で示すようにＳ，Ｎを一組とすると３組の永久磁石がピッチＰで配置されている。２０は可動子磁気ヨーク、２１は固定子磁気ヨーク、２２は交流巻線１６，１７，１８にＵ→ＶＷの方向に電流を与えた状態における磁束の様子を表している。尚、交流巻線１６，１７，１８は、図３に示すようにＵ相，Ｖ相，Ｗ相が中性点で接続されているスター巻線に結線されている。

今、交流巻線１６，１７，１８に電流を印加すると、３相のティースは図中に示したＹ軸方向のプラスあるいはマイナス方向に励磁される。その際、永久磁石１９のうち、交流巻線の励磁方向と同一の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は強められ、励磁方向と反対の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は弱められるため、各相のティースはＮ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁され、Ｎ極もしくはＳ極の大きな一つの磁極となる。そして各ティースおよび固定子側を通過した磁束は図２（a）の２２に示すような閉ループを構成する。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ→Ｖ，Ｗ相、すなわち交流巻線１６は図示した巻線方向、交流巻線１７，１８には図示した巻線方向と反対方向に電流を流すと、図２（ａ）のティース１３はＳ極に、ティース１４，１５はＮ極になり、磁束２２で示すように、磁束はティース１３からティース１４，１５に流れ、つぎに固定子１２を通って再びティース１３に戻るという磁路を形成する。すると、可動子１１にはＸ軸方向に磁気吸引力が働き推力が発生する。

図２に示した従来のリニアモータの特徴は、高価な永久磁石を可動子側に配置しているので、特に長ストロークの場合に、永久磁石の使用量が少なく済むため、リニアモータの低コスト化を実現できることである。また、可動子の各相ティースの永久磁石１９で構成された複数の磁極を一つの巻線で励磁するようにしたので、巻線長が短くなり、電流が巻線内を流れる電機抵抗による損失、いわゆる銅損が小さくなり効率が高くなるという特徴も有する。
尚、交流巻線の接続方法については、図３に示したスター巻線の他にも、Δ巻線を採用することも可能である。

ところで、リニアモータで送り軸テーブルを駆動する工作機械などでは、なめらかな加工面を得るために、リニアモータは一定の推力で各テーブルを駆動する必要がある。したがって、リニアモータの推力リップルは極力小さくする必要がある。ところが、図２で示した従来のリニアモータにおいては、可動子１１に設けられた永久磁石１９のピッチと固定子１２に設けられた固定子突極１０の配置関係に起因して、比較的大きな推力リップルが発生してしまうという問題があった。
この推力リップルの発生周期は、ティース１３，１４，１５が、電気角１２０度分に相当するP／３ピッチづつずれて配置されているため、可動子が固定子に対して相対的に移動すると、ティースの１３，１４，１５エッジのいずれか１つが、Ｐ／３ピッチ毎に固定子突極１０の同一側のエッジを通過することになり、その際のパーミアンス変化によりＰ／３周期の推力リップルが発生する。

図４は、上記Ｐ／３周期のリップルを低減する構造を採用した特許文献２に開示された従来のリニアモータの構成を示している。
図４において、電機子Ａは、図２で示した従来のリニアモータの可動子と同一の構成である。また、電機子ＢはＵ，Ｖ，Ｗの各相ティースに設けられた永久磁石が、Ｎ，Ｓ，Ｎ，・・・の順、すなわち電機子Ａの磁極方向と逆向きになるように配置されている点が電機子Ａと異なり、その他は電機子Ａと同一の構成である。そして、電機子Ａと電機子Ｂは、可動子の移動方向に、固定子突極に対して相対的にＰ／２ピッチ、すなわち電気角で１８０度だけずらして配置され、固定板２３に固定されている。

以上のように構成された図４の従来のリニアモータでは、電機子Ａに発生するＰ／3周期の推力リップルと電機子Ｂに発生するＰ／3周期の推力リップルは、図５に示すような関係、すなわち、電機子Ａと電機子Ｂが電気角１８０度に相当するＰ／２ピッチずれて配置されているため、推力リップルの位相も１８０度ずれた関係となり、しかも、振幅が同じ大きさであるため、Ｐ／３周期の推力リップルが互いに相殺されるのである。尚、図６に示すように、電機子Ａと電機子Ｂのずらし量と推力リップルの関係においては、電気角で１６０度〜２００度であれば推力リップルを１／５以下に低減することが可能であるため、精度良く１８０度ずらさなくても、電気角１６０度〜２００度の範囲でずらしておけば、十分な推力リップル低減効果を得ることができる。

特開２００２−２３８２４１号公報特開２００２−１０１６３６号公報

しかし、上述したような従来のリニアモータは、以下に説明するような課題があった。

例えば、リニアモータを、工作機械の送り軸テーブルに使用する場合には、なめらかな加工面を得るために、一定推力で滑らかにテーブルを駆動する必要があり、Ｐ／３周期で発生する推力リップルを極力小さくする必要があった。また、一般的に、リニアモータは機器の内部に組込まれて使用されるため、サイズを極力小さくすることが望まれる。しかし、特許文献２で示された従来のリニアモータでは、２個の電機子Ａ，Ｂを用いて構成されているため、スライダの移動方向の長さが長くなり、機器にコンパクトに組込むことが困難となったり、機器の移動体ストローク＋可動子長で設計される固定子長が可動子１個分だけ長くなったりするという問題があった。また、同特許文献の第３，第４の実施例では、電機子Ａ，Ｂは、電気角で１８０度に相当するＰ／２ピッチだけずれてスライダの移動方向に対し並列に配置されているが、このような配置では、スライダ移動方向と直角方向にスライダの幅が広くなるため、これらの実施例のリニアモータも機器に組込むことが困難になるといった問題があった。

さらに、リニアモータに求められる他の要求として、例えば、工作機械においては、リニアモータで駆動するテーブルを高加減速で運転し、加工時間を短縮する目的から、移動体である可動子のさらなる軽量化の要求があった。さらに、従来のリニアモータでは、可動子と固定子間に推力の数倍〜１０倍の磁気吸引力が発生するが、この磁気吸引力がリニアモータを移動可能に支持する構造体や、ころがりガイドを変形させ、工作物の加工精度を悪化させてしまうという問題があった。

上記の問題点を解決するために、本発明のリニアモータは、互いに対向する面に所定間隔で配列される突極を有し、並行して延びる二つの固定子と、三相交流巻線によりそれぞれ三相の磁極となる３種の可動子ブロックを有し、前記二つの固定子の間を、固定子の延びる方向に沿って移動可能な可動子と、を有するリニアモータであって、前記可動子ブロックの、二つの固定子にそれぞれ対向する二面に、当該可動子の移動方向に沿って極性を交互にして配列された永久磁石を有し、前記永久磁石の前記固定子に相対する面の極性が、永久磁石が配置された可動子ブロックの二面間で対向する磁石同士、同じになるように配置し、前記二つ固定子は、前記可動子の移動方向に、ほぼ電気角１３０〜２３０度、好ましくは電気角１８０度ずらして配置したことを特徴とする。

本発明によれば、Ｐ／３周期の推力リップルを相殺することで可動子を滑らかに駆動することができる。また、可動子磁気ヨークを無くすことができ、可動子サイズを小さくすることで機器への組込みを容易に行うことができ、さらに可動子を軽量化することで高加減速運転を可能とし、さらに可動子と固定子間に働く磁気吸引力を相殺する構造とすることで、リニアモータを移動可能に支持する構造体やころがりガイドの変形を防ぐことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１（ａ）は、本発明のリニアモータを示す図である。図１（ａ）において、５２ａ，５２ｂは固定子であり例えば工作機械のベッドに固定される。固定子５２ａ，５２ｂは、電磁鋼板を積層する等して形成され、ピッチＰの間隔で突極５０が形成されており、５２ａと５２ｂは、電気角１８０度に相当するＰ／２ピッチだけ、図示したＸ軸方向にずらして配置されている。また、５１は可動子であり、例えば工作機械のベッドとテーブル間に設けられテーブルに固定されたころがりガイド等で図１のＸ軸方向に移動可能に支持される。さらに、５３，５４，５５は電磁鋼板を積層する等して形成された可動子５１を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相の可動子ブロックであり、それぞれが可動子５１の進行方向であるＸ軸方向に相対的に１２０度、すなわち固定子５２ａ，５２ｂの磁極ピッチＰの電気角で１２０度に相当するＰ／３だけズラして配置されている。また、５６，５７，５８は各可動子ブロックに巻回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の３相交流巻線、５９，６４は可動子５１の可動子ブロック表面にＳ，Ｎの順に交互に配置された永久磁石であり、図１（ｂ），図１（ｃ）に示すようにＳ，Ｎを一組とすると３組の永久磁石対がピッチＰで配置されている。さらに、固定子５２ａ側をＳＩＤＥ−Ａ、固定子５２ｂ側をＳＩＤＥ−Ｂとすると、ＳＩＤＥ−Ａ側の永久磁石５９とＳＩＤＥ−Ｂ側の永久磁石６４は、ＳＩＤＥ−Ａ側から見た極性と、ＳＩＤＥ−Ｂ側から見た極性が同じになるように配置されている。６１は固定子磁気ヨーク、６２は交流巻線５６，５７，５８にＵ→Ｖ，Ｗ方向に電流を印加した状態における磁束の様子を表している。尚、交流巻線５６，５７，５８は図３で示したようなＵ相，Ｖ相，Ｗ相がスター結線されている。

今、交流巻線５６，５７，５８に電流を印加すると、３相の可動子ブロックはＹ軸方向のプラスあるいはマイナス方向に励磁される。その際、永久磁石５９，６４のうち、交流巻線の励磁方向と同一の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は強められ、励磁方向と反対の磁性方向に配置された永久磁石の磁束は弱められるため、永久磁石５９と６４は互いに極性が反対のＮ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁される。そして各可動子ブロックおよび固定子側を通過した磁束は図１（ａ）の６２に示すような磁路を形成する。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。今、Ｕ→Ｖ，Ｗ相、すなわち交流巻線５６には図示した巻線方向に電流を流し、交流巻線５７，５８には図示した巻線方向と反対方向に電流を流すと、図１の可動子ブロック５３はＳＩＤＥ−Ａ側がＳ極に、ＳＩＤＥ−Ｂ側がＮ極になり、可動子ブロック５４，５５は逆にＳＩＤＥ−Ａ側がＮ極になり、ＳＩＤＥ−Ｂ側がＳ極になる。したがって、磁束６２で示すように、可動子ブロック５３から固定子５２ｂを経て可動子ブロック５４，５５に流れ、つぎに固定子５２ａを通って再び可動子ブロック５３に戻るという磁路を形成する。すると、可動子５１のＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側にはＸ軸の同一方向に磁気吸引力が働き推力が発生する。

このとき、磁気吸引力の働く永久磁石と固定子突極の位置は、図１（ａ）で示したように、ＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側でＸ軸方向に電気角１８０度に相当するＰ／２ピッチだけ相対的にずれているため、ＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側が発生する推力リップルは、図５に示した電機子Ａと電機子Ｂが発生する推力リップルと同様、Ｐ／２ピッチだけずれた関係となり、ＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側が発生する推力リップルは合成され、Ｐ／３周期の推力リップルが相殺される。

さらに、ＳＩＤＥ-Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側の可動子ブロックを同一の巻線により励磁する構成とすることで、図２の従来のリニアモータに対して巻線量が１／２となり、また、従来のリニアモータに存在した可動子磁気ヨーク２０を無くすことができるため、可動子のサイズを小型化、軽量化すことができる。よって、本発明のリニアモータでは、機器への組込みが容易になると共に、組込んだ機器の高加減速運転が可能となる。さらに、ＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側において可動子と固定子間に発生する磁気吸引力は、大きさが同一で方向が反対であるため相殺され、リニアモータを移動可能に支持する構造体や、ころがりガイドの変形を防止することができる。

尚、図６に示した電機子Ａと電機子Ｂのずらし量と推力リップルの関係と同様に、電気角で１３０度〜２３０度であれば推力リップルを１／２以下に低減することが可能であるため、精度良く１８０度ずらさなくても、ほぼ電気角１３０度〜２３０度の範囲でずらしておけば、十分な推力リップル低減効果を得ることができる。

さらに、巻線を製作上の理由により、２分割以上に分割してあっても、可動子ブロックに巻回される巻線の巻回方向が同じであれば、同様の作用、効果を得ることができる。

さらに、可動子の永久磁石ピッチと固定子の突極ピッチは必ずしもＰ／２である必要はなく、例えば、Ｐ／３周期以外の周期の推力リップルをキャンセルする目的で、可動子ブロックの永久磁石や固定子突極のピッチをＰ／２ピッチよりわずかにずらして不等ピッチに配置した場合でも、可動子ブロックに配置したＳＩＤＥ−Ａ側の永久磁石５９とＳＩＤＥ−Ｂ側の永久磁石６４が、ＳＩＤＥ−Ａ側から見た極性と、ＳＩＤＥ−Ｂ側から見た極性が同じになるように配置されており、ＳＩＤＥ−Ａ側とＳＩＤＥ−Ｂ側の固定子が電気角でほぼ１３０度〜２３０度、好ましくは１８０度ずれて配置されていれば、同様の作用、効果を得ることができる。

さらに、本実施例では、永久磁石をＳ，Ｎを一組として３組の場合について説明したが、３組に限定するものではなく、その他の組数でも、本発明と同様の作用、効果を得ることができる。

さらに、本実施例の可動子を、Ｘ軸方向に複数個、電気角３６０度に相当するピッチＰだけ離して配置しても、本発明と同様の作用、効果を得ることができる。

本発明のリニアモータの概略構成を示す図である。永久磁石６４の配置を示す図である。永久磁石５９の配置を示す図である。可動子側に永久磁石を備えた従来のリニアモータを示す図である。永久磁石１９の配置を示す図である。図２のリニアモータの巻線形式を示す図である。推力リップルを低減する構成の可動子側に永久磁石を備えた従来のリニアモータを示す図である。図４のリニアモータの推力リップル低減技術の原理を説明した図である。図４のリニアモータの２つの電機子のずらし量と推力リップルの関係を示した図である。

符号の説明

１０，５０固定子突極
１１，５１可動子
１２，５２ａ，５２ｂ固定子
１３，１４，１５ティース
５３，５４，５５可動子ブロック
１６，１７，１８，５６，５７，５８交流巻線
１９，５９，６４永久磁石

Claims

互いに対向する面に所定間隔で配列される突極を有し、並行して延びる二つの固定子と、
三相交流巻線によりそれぞれ三相の磁極となる３種の可動子ブロックを有し、前記二つの固定子の間を、固定子の延びる方向に沿って移動可能な可動子と、
を有するリニアモータであって、
前記可動子ブロックの、二つの固定子にそれぞれ対向する二面に、当該可動子の移動方向に沿って極性を交互にして配列された永久磁石を有し、
前記永久磁石の前記固定子に相対する面の極性が、永久磁石が配置された可動子ブロックの二面間で対向する磁石同士、同じになるように配置し、
前記二つの固定子は、前記可動子の移動方向に、ほぼ電気角１３０〜２３０度ずらして配置したことを特徴とするリニアモータ。
請求項1に記載のリニアモータであって、
前記二つの固定子は、前記可動子の移動方向に、電気角１８０度ずらして配置したことを特徴とするリニアモータ。