JP2009213211A - リニアモータの取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気吸引力相殺型リニアモータであって、モータ推力が固定子位置により変化してしまうことを防ぎ、モータ推力を向上させることができ、さらに、工作機械の精度や加工面品位を向上させることができるようにする。
【解決手段】磁気吸引力相殺型リニアモータは、固定子下面７４に接して固定子５２ａ，５２ｂを固定するベース７２と、二つの固定子５２ａ，５２ｂの両側に設けられ、ベース７２から固定子上面７３の高さに略一致する高さまで延びる二つの固定子取付部材と、二つの固定子５２ａ，５２ｂの固定子上面７３とベース上面８４とに接続固定される二つの板状支持部材８１とを有する。
【選択図】図１

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の取付構造に関する。

従来から、工作機械等の産業機械では、高速、高精度を目的としてリニアモータが使用されている。リニアモータには可動子もしくは固定子に永久磁石が備えられているため、可動子と固定子との間には推力の数倍にもおよぶ磁気吸引力が働く。この磁気吸引力が工作機械を変形させてしまい、加工精度を悪化させるという問題がある。この問題を解決するために磁気吸引力相殺型リニアモータが使用される（例えば、特許文献１参照）。磁気吸引力相殺型リニアモータは、２本の固定子を、可動子を挟むように平行に並べて構成される。この構成により、２本の固定子と可動子との間に発生する磁気吸引力をそれぞれ反対方向に働くようにして相殺して、磁気吸引力を極力小さくすることができる。よって、工作機械に磁気吸引力の影響を与えないようにすることができる。

従来のリニアモータの一例について図を用いて説明する。図５は従来のリニアモータの概略構成を示す図であり、図６は、図５のＣ−Ｃ線による断面図を示している。図７は、リニアモータに巻回される巻線の結線図である。そして、図８は、固定子の斜視図である。

リニアモータは、並列して延びる二つの固定子５２ａ，５２ｂと、固定子５２ａ，５２ｂの間を、これらが延びる方向に沿って移動可能な可動子５１とを有する。

固定子５２ａ，５２ｂは、電磁鋼板を積層して形成され、ピッチＰの間隔で突極５０が形成される。また、固定子５２ａ，５２ｂは、図８に示されるように所定の長さで製作され、可動子５１のストローク長に渡り、可動子５１の移動方向に複数個並べて設置される。固定子５２ａ，５２ｂは、例えば工作機械のベース７２（図６に示す）に固定される。具体的には、図６，図８で示されるように、固定子５２ａ，５２ｂは、ボルト７１により、固定子の下面７４がベース７２に接するように固定される。

一方、可動子５１は、ベース７２とテーブル（図示せず）との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５中のＸ軸方向に移動可能に支持される。可動子５１は、可動子５１の進行方向であるＸ軸方向と直角な方向であるＺ軸方向に磁気特性の優れた方向性電磁鋼板を積層して形成される可動子ブロック５３，５４，５５から構成される。可動子ブロック５３，５４，５５は、可動子ブロック５３がＵ相の可動子ブロックであり、可動子ブロック５４がＷ相の可動子ブロックであり、可動子ブロック５５がＶ相の可動子ブロックである。可動子ブロック５３，５４，５５のそれぞれが可動子５１の進行方向であるＸ軸方向に相対的に１２０°、すなわち固定子５２ａ，５２ｂの磁極ピッチＰの１／３だけずらして配置される。可動子ブロック５３，５４，５５には３相交流巻線がそれぞれ巻回される。すなわち、可動子ブロック５３にはＵ相の３相交流巻線５６が、可動子ブロック５４にはＷ相の３相交流巻線５７が、そして可動子ブロック５５にはＶ相の３相交流巻線５８が巻回される。３相交流巻線５６，５７，５８のＵ相，Ｗ相，Ｖ相は図７のようにスター結線される。３相交流巻線５６，５７，５８が巻回された可動子ブロック５３，５４，５５は、モールド樹脂７６で一体に成形されている。

可動子ブロック５３，５４，５５の表面には永久磁石５９，６４がＮ，Ｓ，Ｎ，・・の順に交互に配置される。具体的には、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、Ｎ，Ｓを一組とすると３組の永久磁石対がピッチＰで配置される。ここで、図５に示すように、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とは、ＳＩＤＥ−Ａ側から見た極性と、ＳＩＤＥ−Ｂ側から見た極性が逆になるように配置される。

上述のように、３相交流巻線５６，５７，５８はスター結線されている。３相交流巻線５６，５７，５８にＵ→Ｖ，Ｗ方向に電流を印加した場合に、リニアモータに磁束６２が励磁される。

リニアモータの動作について説明する。３相交流巻線５６，５７，５８に電流を印加すると、可動子ブロック５３，５４，５５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。このため、永久磁石５９と永久磁石６４と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５３，５４，５５および固定子５２ａ，５２ｂ側を通過した磁束は図５（ａ）の符号６２に示すような磁路を形成する。この時、可動子５１と固定子５２ａ，５２ｂとの位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子５１に推力が発生し、可動子５１が移動する。

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３相交流巻線５６は図５（ａ）に示した巻線方向、３相交流巻線５７，５８には図５（ａ）に示した巻線方向と反対方向に電流を流すと、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、図５（ａ）に示すように、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６２を形成する。そうすると、可動子５１にはＸ軸方向に磁気吸引力が働き推力が発生する。

特開２００５−１３７１４０号公報

上述したような従来のリニアモータの課題をまとめると以下のようになる。

磁気吸引力相殺型リニアモータの固定子５２ａ，５２ｂは、ベース７２に固定される。具体的には、図６に示されるように、固定子５２ａ，５２ｂの下面に該当する固定子下面７４がベース７２に接するように固定される。しかし、固定子５２ａ，５２ｂの上面に該当する固定子上面７３は固定されていないため、固定子５２ａ，５２ｂの剛性が低いという問題がある。特に、固定子５２ａ，５２ｂが電磁鋼板を積層して構成されている図５、図６の従来のリニアモータは、磁気吸引力と垂直な方向に電磁鋼板が積層されており、電磁鋼板が横ずれする方向に力がかかるため、固定子５２ａ，５２ｂの剛性が特に低くなるという問題がある。

また、このような固定子５２ａ，５２ｂにおいては、固定子上面７３のみが磁気吸引力によりたわむため、可動子５１と固定子５２ａ，５２ｂとの間のエアギャップが固定子上面７３のみ狭くなる。しかも、固定子５２ａ，５２ｂは可動子５１の移動方向に分割されて並べられており、各固定子５２ａ，５２ｂの剛性が電磁鋼板の積層状況によりそれぞれ違う。このために、可動子５１と固定子５２ａ，５２ｂとの間のエアギャップが固定子５２ａ，５２ｂの位置によって変化してしまう。その結果、モータ推力が固定子５２ａ，５２ｂの位置により変化してしまうという問題がある。

また、従来のリニアモータは、可動子５１側に設けた３相交流巻線５６，５７，５８に通電することにより、磁気抵抗の高いエアギャップを通して固定子５２ａ，５２ｂ側を励磁する。このため、エアギャップが小さいほど推力が高くなるが、あらかじめ固定子５２ａ，５２ｂのたわみ分を見越してエアギャップを決める必要がある。そうすると、所望のエアギャップより広くしなければならず、その結果、モータ推力が低くなってしまうという問題がある。

さらに、モータ制御面では、フィードバック制御の制御性を向上させるためにゲインを上げる必要がある。しかし、ゲインを上げると剛性の低い固定子がすぐに振動するため、所望のゲインまで上げられず、位置誤差が大きくなり、工作機械の精度や加工面品位が悪くなるという問題がある。

本発明の目的は、少なくとも一つの課題を解決されるためになされたものであって、その一つの目的は、モータ推力が固定子の位置により変化してしまうことを防ぐことができるリニアモータを提供することにある。

また、別の目的は、モータ推力を向上させることができるリニアモータを提供することにある。

さらに、別の目的は、工作機械の精度や加工面品位を向上させることができるリニアモータを提供することにある。

本発明は、並列して延びる二つの固定子と、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を取り付けるリニアモータの取付構造であって、前記固定子の下面に接して前記固定子を固定するベースと、前記二つの固定子の両側に設けられ、前記ベースから前記固定子の上面の高さに略一致する高さまで延びる二つの固定子取付部材と、前記二つの固定子の上面と前記二つの固定子取付部材の上面とに接続固定される二つの板状支持部材と、を有し、前記固定子は、これの下面において前記ベースに固定されると共に、前記固定子の上面において前記板状支持部材を介して前記固定子取付部材に固定されることを特徴とする。

また、前記ベースと前記二つの固定子取付部材とは一体に断面Ｕ字形状に成形され、前記ベースの断面Ｕ字形状の底部に前記固定子の下面を固定し、前記ベースの断面Ｕ字形状の上面に前記板状支持部材を介して前記固定子の上面を固定することができる。

また、前記固定子と前記固定子取付部材の側壁との間に空隙を設けることができる。

さらに、前記板状支持部材の厚さｔを、エアギャップの最大許容変位量をδx、板厚をｔ、測定で求められる係数をＫ、前記固定子の上面に加わる磁気吸引力をＦｍ、前記板状支持部材の幅をＷ、材料の許容応力をσとすると、³√(δx／Ｋ）≧ｔ≧Ｆｍ／(Ｗ×σ)
に設定することができる。

本発明のリニアモータによれば、モータ推力が固定子の位置により変化してしまうことを防ぐことができる。また、固定子と可動子間のエアギャップを所定の間隔に取り付けできるため、モータ推力を向上させることができる。さらに、モータ制御面では、剛性向上によりゲインを上げることができるためフィードバック制御の制御性が向上し位置誤差が少なくなるため、工作機械の精度や加工面品位を向上させることができる。

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は、本実施形態のリニアモータの取付構造を示す図である。また、図２は、固定子の斜視図である。リニアモータは、並列して延びる二つの固定子５２ａ，５２ｂと、固定子５２ａ，５２ｂの間を、これらが延びる方向に沿って移動可能な可動子５１と、固定子５２ａ，５２ｂを固定するベース７２とを有する。ここで、可動子５１と固定子５２ａ，５２ｂについては、従来技術と同様の構成を同じ符号で示し、詳しい説明は省略する。

ベース７２は、断面Ｕ字形状に形成される。図１において、ベース７２の各部位に示す符号の名称は、以下の通りである。すなわち、８５はベース７２に形成されたＵ字溝、８２はベース７２の側壁に形成されたＵ字溝側面壁、８４はＵ字形状の端部，言い換えればベース７２の上面に該当するベース上面である。ベース上面８４は、固定子上面７３の高さと略一致する高さになるように形成されている。ベース上面８４と固定子上面７３を橋渡しするように平板状の板状支持部材８１が配置される。板状支持部材８１には、図２に示されるように、ボルト穴７７が複数形成されている。板状支持部材８１は、ボルト８３によりベース上面８４に固定され、ボルト７１により固定子上面７３に固定される。これにより、固定子５２ａ，５２ｂは、ボルト７１を介してベース７２のＵ字溝８５の底部に固定されるとともに、固定子上面７３に固定された板状支持部材８１を介してベース７２のベース上面８４に固定される。

上述のように構成された固定子５２ａ、５２ｂにおいては、固定子上面７３が板状支持部材８１を介してベース上面８４に支持されるため、可動子５１と固定子５２ａ、５２ｂの間に働く磁気吸引力により固定子５２ａ、５２ｂが可動子５１の方向にたわむことを防ぐことができる。そのため、可動子５１と固定子５２ａ、５２ｂとのエアギャップは、固定子上面７３から固定子下面７４の間を均一に保持できる。また、固定子上面７３を板状支持部材８１でベース７２に固定するため、固定子５２ａ，５２ｂの剛性が向上する。その結果、モータ推力が固定子５２ａ、５２ｂの位置により変化してしまうことを防ぐことができる。また、固定子５２ａ、５２ｂと可動子５１と間のエアギャップを所定の間隔に取り付けできるため、固定子５２ａ、５２ｂのたわみ分を見越してエアギャップを広めに設定する必要がなくなりモータ推力が向上する。さらに、モータ制御面では、剛性向上によりゲインを上げることができるためフィードバック制御の制御性が向上し位置誤差が少なくなり、工作機械の精度や加工面品位が向上する。

本実施形態における板状支持部材８１の最適板厚に関して説明する。固定子５２ａ，５２ｂは、従来技術で述べたように電磁鋼板を積層して構成される。このため、累積寸法誤差により所定の積層厚にすることが困難である。その結果、固定子上面７３とベース上面８４の高さが異なり、板状支持部材８１から固定子５２ａ、５２ｂに圧力が加わる。この圧力により固定子５２ａ、５２ｂが可動子５１の方向にたわんでエアギャップが変化してしまう。ここで、エアギャップの最大許容変位量をδx、板状支持部材８１の板厚をｔ、そして測定で求められる係数をＫとすると、最大許容変位量はδx=Ｋ×t³により求められる。したがって、板状支持部材８１の最大板厚は、t=³√(δx/Ｋ）となる。

板状支持部材８１の最大板厚の具体的な求め方としては、固定子上面７３とベース上面８４の段差を想定される最大値にして、板厚ｔの板状支持部材８１で固定子５２ａ、５２ｂを固定する。その時のエアギャップの変位量を求め、その結果より係数Ｋを求める。上述した最大許容板厚δx=Ｋ×t³という関係より、最大許容板厚になるような板厚ｔを求める。

一方、板状支持部材８１の最小板厚は、磁気吸引力による繰り返し応力が、材料の許容応力以下になるように設定しなければならない。ここで、固定子上面７３に加わる磁気吸引力をＦｍ、板状支持部材８１の幅をＷ、材料の許容応力をσとすると、最小板厚は、
t=Ｆｍ/(Ｗ×σ)となる。したがって、板状支持部材８１の最適板厚は、以下の式により求められる範囲に設定すればよいことになる。

³√(δx/Ｋ）≧t≧Ｆｍ/(Ｗ×σ)

なお、固定子５２ａ、５２ｂとＵ字溝側面壁８２との間に、図１に示すような空隙を設けることが望ましい。固定子上面７３とベース上面８４の高さが異なる場合、ボルト７１とボルト８３との間の距離を長くすることで板状支持部材８１の曲げ剛性を低くして、板状支持部材８１から固定子５２ａ、５２ｂに加わる圧力を少なくすることにより、結果的に固定子５２ａ、５２ｂのたわみを少なくすることができる。

図３は、別の実施形態のリニアモータの取付構造を示す図である。図１に示すＵ字溝側面壁８２は、ベース７２の一部を削り込んで形成していたのに対して、図３においては、ベース７２に固定子取付部材９０をボルトで固定することにより、断面Ｕ字形状を形成する。その結果、固定子５２ａ，５２ｂは、板状支持部材８１を介して固定子取付部材９０の上面に取り付けられるため、本発明と同様の効果を得ることができる。

図４は、原理の異なるリニアモータの取付構造を示す図である。図４のリニアモータは、工作機械には一般的に使用されている磁気吸引力相殺型の表面磁石型のリニアモータである。可動子５１の移動方向に平行して延びる２つの固定子９５ａ，９５ｂは直方体の鋼板で構成される。固定子９５ａ，９５ｂの互いに対向する面には、永久磁石９６が可動子５１の移動方向に所定間隔でそれぞれ配置されている。一方、２つの固定子９５ａ，９５ｂの間を移動する可動子５１は、可動子鉄芯９７の面であって固定子９５ａ，９５ｂと向かい合う面に形成されたくし歯状のティース部９８を複数有する。可動子５１は、ティース部９８に３相交流巻線５７が巻回された構造で、３相交流巻線５７に電流を印加することにより、可動子５１が２つの固定子９５ａ，９５ｂ間を移動する。この原理のリニアモータも、図１で開示したリニアモータと同様、固定子９５ａ，９５ｂと可動子５１との間に磁気吸引力が発生する。

図１に示した固定子５２ａ、５２ｂに比べて、表面磁石型のリニアモータの固定子９５ａ，９５ｂは鋼板で構成されているため剛性は高いが、やはり、直方体の固定子９５ａ、９５ｂの片側だけをベース７２に固定する従来の取付構造では、磁気吸引力により固定子９５ａ，９５ｂがたわんでギャップが変化してしまう。よって、本発明のリニアモータのような構造を適用することにより、本発明と同様の効果を得ることができる。

本実施形態においては、可動子５１の構造が図１及び図４に示すような場合のリニアモータについて説明したが、これに限定されない。可動子５１の構造が図１及び図４と異なるタイプのリニアモータであっても、固定子の形状が同様であれば、本発明を適用することができる。

本実施形態のリニアモータの取付構造を示す図である。 固定子の斜視図である。 別の実施形態のリニアモータの取付構造を示す図である。 原理の異なるリニアモータの取付構造を示す図である。 （ａ）は、リニアモータの概略構成を示す図であり、（ｂ）と（ｃ）は、永久磁石の配置を示す図である。 図５（ａ）のＣ−Ｃ線による断面図である。 リニアモータに巻回される巻線の結線図である。 固定子の斜視図である。

符号の説明

５１ 可動子、５２ａ，５２ｂ 固定子、５３，５４，５５ 可動子ブロック、５６，５７，５８ ３相交流巻線、７２ ベース、７３ 固定子上面、７４ 固定子下面、８１ 板状支持部材、８４ ベース上面、９０ 固定子取付部材。

Claims (4)

1. 並列して延びる二つの固定子と、
   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を取り付けるリニアモータの取付構造であって、
   前記固定子の下面に接して前記固定子を固定するベースと、
   前記二つの固定子の両側に設けられ、前記ベースから前記固定子の上面の高さに略一致する高さまで延びる二つの固定子取付部材と、
   前記二つの固定子の上面と前記二つの固定子取付部材の上面とに接続固定される二つの板状支持部材と、
   を有し、
   前記固定子は、これの下面において前記ベースに固定されると共に、前記固定子の上面において前記板状支持部材を介して前記固定子取付部材に固定される、
   ことを特徴とするリニアモータの取付構造。
2. 請求項１に記載のリニアモータの取付構造であって、
   前記ベースと前記二つの固定子取付部材とは一体に断面Ｕ字形状に成形され、
   前記ベースの断面Ｕ字形状の底部に前記固定子の下面が固定され、
   前記ベースの断面Ｕ字形状の上面に前記板状支持部材を介して前記固定子の上面が固定される、
   ことを特徴とするリニアモータの取付構造。
3. 請求項１または２に記載のリニアモータの取付構造であって、
   前記固定子と前記固定子取付部材の側壁との間に空隙を設けたことを特徴とするリニアモータの取付構造。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載のリニアモータの取付構造であって、
   前記板状支持部材の厚さｔは、エアギャップの最大許容変位量をδx、板厚をｔ、測定で求められる係数をＫ、前記固定子の上面に加わる磁気吸引力をＦｍ、前記板状支持部材の幅をＷ、材料の許容応力をσとすると、
   ³√(δx／Ｋ）≧ｔ≧Ｆｍ／(Ｗ×σ)
   に設定されていることを特徴とするリニアモータの取付構造。

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