JP2009050128A - ムービングマグネット形円筒リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 可動子に生じる給電ケーブルのテンションによる外乱を抑え、可動子のストローク方向の位置によって生じる推力のばらつきをなくし、微小推力制御を行うことができるムービングマグネット形円筒リニアモータを提供する。
【解決手段】 可動子と固定子とからなる円筒リニアモータにおいて、可動子は、環状の磁性ヨーク５の内側表面に軸方向に沿って配設された複数個のリング状永久磁石４で構成され、固定子は、磁性シャフト１の外周の軸方向に沿ってリング状の電磁鋼板を積層してなる複数個の電機子コアブロック２と、該電機子コアブロック２間に形成されたスロット２ａに巻回してなる複数個のリング状の電機子コイル３とで構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＦＡ分野において高加減速や高精度が要求される工作機械や半導体製造装置等の駆動源として使用される永久磁石形円筒リニアモータに関し、特にムービングマグネット型円筒リニアモータに関するものである。

従来、ＦＡ分野において高加減速や高精度が要求される工作機械や半導体製造装置等の駆動源として、円筒形状の電機子とそれに伴う界磁構造の何れか一方を可動子とし、他方を固定子として構成する永久磁石形円筒リニアモータが提案されている。このような永久磁石形円筒リニアモータでは、電機子を可動子とし、界磁を固定子として構成する場合はムービングコイル型と称し、逆に電機子を固定子とし、界磁を可動子として構成する場合はムービングマグネット型と称しており、両構成何れも周知である。
このうち、図１０は従来のムービングコイル型円筒リニアモータの外観を示した側面図、図１１は図１０のリニアモータに用いる固定子の側断面図である。
図１０において、１２は電機子を有する可動子、１３は磁極を有する固定子である。図１１において、１４はＮ極とＳ極の磁極が同極で向き合うように軸方向に配置された複数の永久磁石、１５は複数の永久磁石の外周を抑えるための非磁性材料から成るパイプ、１６は永久磁石１４の中心に設けた中心穴を貫通すると共に、両端に雄ねじ１６ａを形成した非磁性材料のシャフト、１７はシャフト１６の雄ネジ１６ａに嵌めこむための雌ネジ１７ａを形成したエンドブラケットである。固定子の締結としては、シャフト１６に複数の永久磁石１４を挿入した後、シャフト１４の両端にエンドブラケット１７を嵌めこむ方法を取っている。つまり、隣合う複数の永久磁石１４の間を密着するようにエンドブラケット１７内部の雌ねじ部をシャフト１６の雄ネジ部にねじ込んで締め付けることで、各永久磁石１４に生じる反発力を抑えるようになっている。
このようなムービングコイル形円筒リニアモータにおいて、可動子１２である図示しない電機子コイルに入力する電流を制御すると、固定子である永久磁石１４から発生する漏れ磁束と可動子１２内部に通電された電機子コイル（不図示）によって、可動子の固定子軸方向に駆動力（推力）が発生するようになっている（例えば、特許文献１〜３）。
特開平１０−３１３５６６号公報（明細書２頁〜３頁、図１） 特開２００２−３５４７８０号公報（明細書４頁〜５頁、図２参照） 特開２００５−３９９４１号公報（明細書５頁〜６頁、図１参照）

従来のムービングコイル形円筒リニアモータは、可動子部である電機子に通電するための給電ケーブルが例えばケーブルベア（登録商標）に固定されており、可動子を駆動する際にはケーブルベアに接続された給電ケーブルを引き回す構造となることから、可動子には給電ケーブルのテンションにより外乱が生じ、可動子のストローク方向の位置によって推力のばらつきを生じさせていた。また、可動子の制御においては、電機子に入力する電流のみで制御しているため、温度変化によるガイドの摩擦変化および推力特性変化、テンションバネの特性のばらつき等により出力される推力が一定とならないので、微小推力制御ができないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、円筒形リニアモータの界磁側を可動子とし、可動子を固定子の外周側に配置するムービングマグネット構造とすることにより磁石面積を広くし、かつ、固定子に電磁鋼板を積層してなる電機子を用いることで、可動子に生じる給電ケーブルのテンションによる外乱を抑え、可動子のストローク方向の位置によって生じる推力のばらつきをなくし、微小推力制御を行うことができるムービングマグネット形円筒リニアモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、可動子と固定子とからなる円筒リニアモータにおいて、前記可動子は、環状の磁性ヨークの内側表面に軸方向に沿って配設された複数個のリング状永久磁石で構成されており、前記固定子は、該可動子と磁気的空隙を介して配置されると共に、磁性シャフトの外周の軸方向に沿ってリング状の電磁鋼板を積層してなる複数個の電機子コアブロックと、該電機子コアブロック間に形成されたスロットに巻回してなる複数個のリング状の電機子コイルとで構成されていることを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形円筒リニアモータにおいて、前記永久磁石は前記磁性ヨークの円周方向に沿って同一軸方向毎に分割された複数の永久磁石ブロック群で構成されており、前記磁性ヨークの円周方向に隣り合せに設けられた磁石ブロック群同士を、軸方向に沿ってずらしたことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のムービングマグネット形円筒リニアモータにおいて、前記複数の永久磁石ブロック群を前記磁性ヨークの円周方向に沿ってスパイラル状に配設したことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形円筒リニアモータにおいて、前記電機子コイルを３相スター状に結線すると共に、各相のコイルを周方向に１２０°の間隔で配置することで渡り線を周方向に１２０°の間隔で配置したことを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載のムービングマグネット形円筒リニアモータにおいて、前記電機子コアブロックを周方向に１２０°の間隔で３分割することを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、請求項１または５に記載のムービングマグネット形円筒リニアモータにおいて、前記電機子コアブロックは電磁鋼板を積層したものに替えて、焼結材料を用いて一体化したものであることを特徴としている。
請求項７に記載の発明は、請求項２に記載のムービングマグネット形円筒リニアモータにおいて、前記複数の永久磁石ブロック群の間には、非磁性材料製のスペーサを設けたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、可動子を界磁とするムービングマグネット形リニアモータの構成にしたので、従来のような電機子を可動子として駆動する際に、給電ケーブルのテンションによる外乱を抑えることができ、その結果、リニアモータに取付けられる図示しない推力センサの出力を上位にフィードバックすることで、高分解能かつ高精度な微小推力制御が可能となる。また、可動子を外周側にすることにより磁石面積を広くすることができるとともに、固定子に積層した電磁鋼板を用いることで推力および効率を増加することが可能となる。
また、請求項２及び請求項３に記載の発明によると、可動子のストローク方向の位置によって電磁鋼板と磁石との間で発生する推力のばらつき（コギング推力）において、軸方向に変位された磁石ブロックにより、スキュー効果を持たせることとなりコギング推力を低減することが可能となる。各磁石ブロックをスパイラル状に配置させることにより、コギング推力の位相を連続的に変えることができ、合算した全体のコギング推力を低減することが可能となり、その結果、微小推力制御を行うことができる。
また、請求項４に記載の発明によると、３相スター状に結成し、各相を周方向に１２０°の間隔で配置することで、各相の渡り線を隔離することができ、相間絶縁を保つことが可能となる。さらに、渡り線部で発生する損失による温度上昇を分散することができ、効率増加となる。
また、請求項５に記載の発明によると、積層電磁鋼板を１２０°の間隔で３分割することにより、前記渡り線の配置を容易とするとともに、電機子コイル配置後に電磁鋼板を装着できることから、生産性を向上できる。
また、請求項６に記載の発明によると、電機子コアブロックは焼結材料を用いて一体化したものとすることで、電磁鋼板を積層したものと比べて、発生する渦電流を小さく抑えられるため、モータの損失が減り、効率を上げることができる。
また、請求項７に記載の発明によると、複数の永久磁石ブロック群の間には、非磁性材料製のスペーサを設けて位置決めを行うことによって、精度良く等間隔に永久磁石ブロック群を並べる作業が容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施例を示すムービングマグネット形円筒リニアモータの側断面図、図２は図１の矢視Ａ方向から見たムービングマグネット形円筒リニアモータの正面図である。
図１、図２において、１は磁性シャフト、２は電機子コアブロック、３は電機子コイル、４は永久磁石、５は磁性ヨークである。
本発明の特徴は以下のとおりである。
すなわち、可動子と固定子とからなる円筒リニアモータにおいて、可動子は、環状の磁性ヨーク５の内側表面に軸方向に沿って配設された複数個のリング状永久磁石４で構成されており、固定子は、該可動子と磁気的空隙を介して配置されると共に、磁性シャフト１の外周の軸方向に沿ってリング状の電磁鋼板を積層してなる複数個の電機子コアブロック２と、該電機子コアブロック２間に形成されたスロット２ａに巻回してなる複数個のリング状の電機子コイル３とで構成されている点である。
第１実施例は、可動子を界磁とするムービングマグネット形リニアモータの構成にしたので、ケーブルのテンションによる外乱を抑えることができ、その結果、リニアモータに取付けられる図示しない推力センサの出力を上位にフィードバックすることで、高分解能かつ高精度な微小推力制御が可能となる。また、可動子を外周側にすることにより磁石面積を広くすることができるとともに、固定子に積層した電磁鋼板を用いることで推力および効率を増加することが可能となる。

図３は本発明の第２実施例を示す分割したリング状の永久磁石の正面図、図４は第２実施例における永久磁石ブロック群のスキューの状態を示す展開図である。
図において、６は同一軸方向ごとに分割された永久磁石ブロック群、７は第１永久磁石ブロック群、８は第２永久磁石ブロック群、９はスペーサである。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、図３、図4に示すように永久磁石が磁性ヨークの円周方向に沿って同一軸方向毎に分割された複数の永久磁石ブロック群６（７、８）で構成されており、磁性ヨークの円周方向に隣り合せに設けられた磁石ブロック群７、８同士を、軸方向に沿ってずらした点である。
また、複数の永久磁石ブロック群６（７、８）の間には、非磁性材料製のスペーサ９を設けたものとなっている。
第２実施例はこのような構成にしたので、電磁鋼板よりなる電機子コアブロックと永久磁石ブロック群との間で発生するコギング推力において、軸方向に変位された永久磁石ブロック群により、スキュー効果を持たせることとなりコギング推力を低減することが可能となる。
また、複数の永久磁石ブロック群の間には、非磁性材料製のスペーサを設けて位置決めを行うことによって、精度良く等間隔に永久磁石ブロック群を並べる作業が容易に行うことができる。

図５は本発明の第３実施例を示すスパイラル状の永久磁石ブロック群を配置した磁性ヨークの斜視図である。
第３実施例が第１、第２実施例と異なる点は、同一軸方向上の複数の永久磁石ブロック群６を磁性ヨークの円周方向に沿ってスパイラル状に配設した点である。
第３実施例はこのような構成にしたので、各永久磁石ブロック群をスパイラル状に配置させることにより、コギング推力の位相を連続的に変えることができ、合算した全体のコギング推力を低減することが可能となる。

図６は本発明の第４実施例を示す３相電機子コイル配置、図７は第４実施例における３相電機子コイルの結線図、図８は第４実施例における渡り線の配置図である。
図６において、１１は３分割された電機子コアブロックである。
第４実施例が第１実施例と異なる点は、電機子コイルを３相スター状に結線すると共に、該電機子コイルの各相渡り線を１２０°間隔で配置した点である。
第４実施例はこのような構成にしたので、３相スター状に結成し、各相を周方向に１２０°の間隔で配置することで、各相の渡り線を隔離することができ、相間絶縁を保つことが可能となる。さらに、渡り線部で発生する損失による温度上昇を分散することができ、効率増加となる。

図９は本発明の第５実施例を示す３分割した電機子コアブロックの正面図である。
図９において、１１は電磁鋼板よりなり、周方向に３分割された電機子コアブロックである。
第５実施例が第１実施例と異なる点は、電機子コアブロック１１が周方向に１２０°の間隔で３分割され、該コアブロック１１の分割された同位置に渡り線を通した点である。また、電機子コアブロック１１は電磁鋼板を積層したものに替えて、焼結材料を用いて一体化したものでも構わない。
第５実施例はこのような構成にしたので、該コアブロックを構成する積層電磁鋼板を１２０°の間隔で３分割することにより、前記渡り線の配置を容易とするとともに、電機子コイル配置後に該コアブロックを装着できることから、生産性を向上できる。
また、電機子コアブロックは焼結材料を用いて一体化したものとすることで、電磁鋼板を積層したものと比べて、発生する渦電流を小さく抑えられるため、モータの損失が減り、効率を上げることができる。

本発明の第１実施例を示すムービングマグネット形円筒リニアモータの側断面図である。 図１の矢視Ａ方向から見たムービングマグネット形円筒リニアモータの正面図である。 本発明の第２実施例を示す分割したリング状の永久磁石の正面図である。 第２実施例における永久磁石ブロック群のスキューの状態を示す展開図である。 本発明の第３実施例を示すスパイラル状の永久磁石ブロック群を配置した磁性ヨークの斜視図である。 本発明の第４実施例を示す３相電機子コイル配置 第４実施例における３相電機子コイルの結線図である。 第４実施例における渡り線の配置図である。 本発明の第５実施例を示す３分割した電機子コアブロックの正面図である。 従来のムービングコイル型円筒リニアモータの外観を示した側面図である。 図１０のリニアモータに用いる固定子の側断面図である。

符号の説明

１ 磁性シャフト
２ 電機子コアブロック（電磁鋼板）
３ 電機子コイル
４ 永久磁石
５ 磁性ヨーク
６ 同一軸方向ごとに分割された永久磁石ブロック群
７ 第１永久磁石ブロック群
８ 第２永久磁石ブロック群
９ スペーサ
１０ 渡り線
１１ ３分割された電機子コアブロック
１２ 電機子を有する可動子
１３ 磁極を有する固定子
１４ 同極が向き合うように配置された永久磁石
１５ 非磁性材料のパイプ
１６ 非磁性材料のシャフト
１７ ブラケット

Claims (7)

1. 可動子と固定子とからなる円筒リニアモータにおいて、
   前記可動子は、環状の磁性ヨークの内側表面に軸方向に沿って配設された複数個のリング状永久磁石で構成されており、
   前記固定子は、該可動子と磁気的空隙を介して配置されると共に、磁性シャフトの外周の軸方向に沿ってリング状の電磁鋼板を積層してなる複数個の電機子コアブロックと、該電機子コアブロック間に形成されたスロットに巻回してなる複数個のリング状の電機子コイルとで構成されていることを特徴とするムービングマグネット形円筒リニアモータ。
2. 前記永久磁石は前記磁性ヨークの円周方向に沿って同一軸方向毎に分割された複数の永久磁石ブロック群で構成されており、
   前記磁性ヨークの円周方向に隣り合せに設けられた磁石ブロック群同士を、軸方向に沿ってずらしたことを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形円筒リニアモータ。
3. 前記複数の永久磁石ブロック群を前記磁性ヨークの円周方向に沿ってスパイラル状に配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のムービングマグネット形円筒リニアモータ。
4. 前記電機子コイルを３相スター状に結線すると共に、各相のコイルを周方向に１２０°の間隔で配置することで渡り線を周方向に１２０°の間隔で配置したことを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形円筒リニアモータ。
5. 前記電機子コアブロックを周方向に１２０°の間隔で３分割することを特徴とする請求項１記載のムービングマグネット形円筒リニアモータ。
6. 前記電機子コアブロックは電磁鋼板を積層したものに替えて、焼結材料を用いて一体化したものであることを特徴とする請求項１または５に記載のムービングマグネット形円筒リニアモータ。
7. 前記複数の永久磁石ブロック群の間には、非磁性材料製のスペーサを設けたことを特徴とする請求項２に記載のムービングマグネット形円筒リニアモータ。

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