JP2011067030A - リニアモータの界磁およびそれを備えたリニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 製作性や信頼性の問題がなく、高推力かつ低損失なリニアモータの界磁およびそれを備えたリニアモータを提供する。
【解決手段】 電磁鋼板を積層してなる界磁ヨーク７０に長手方向に向かって複数の界磁用磁石を並べて配置した界磁を備えたリニアモータの界磁部において、前記複数の界磁用磁石（主磁極８０１、副磁極８０２）をハルバッハ配列で構成すると共に、前記界磁ヨーク７０の内部に前記磁石を挿入するための磁石挿入穴７１を挿設したことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体関連装置のステージ駆動や工作機械のテーブル送り等のＦＡ機器に使用されると共に、加工の高速化・高精度化を達成することができるリニアモータの界磁およびそれを備えたリニアモータに関する。

従来から、半導体関連装置のステージ駆動や工作機械のテーブル送り等のＦＡ機器に使用されると共に、加工の高速化・高精度化を達成できるように、界磁極を構成する永久磁石と当該永久磁石の磁極面に磁気的空隙を介して対向した電機子巻線を配置する電機子を備えたリニアモータが提案されている。
このような用途に用いられるリニアモータには、小型、高推力化への要求が強く、所謂推力密度の高いリニアモータが望まれている。推力密度を向上するための技術課題の一つとして、磁気装荷の向上が挙げられる。この技術課題を解決するために、界磁に複数の磁極を並べて配置したハルバッハ配列構造を使用したリニアモータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ハルバッハ磁石配列の界磁構造を持つリニアモータの改良として、さらに磁束を増大させるために主磁極の表面に軟磁性体を貼り付けたものもある（例えば、特許文献２参照）。
図７は第１従来技術（特許文献１）を示すリニアモータの平断面図である。図７において、１はリニアモータで、電機子２と、前記電機子２と空隙を介して対抗するように配置される界磁部３とで構成されている。電機子２は略I字形状のブロックコアを長手方向に複数個連結してなる電機子コア４と前記電機子コア４に巻装した電機子巻線５とから成る。界磁部３は、界磁ヨーク７と複数個の主磁極８１と副磁極８２の界磁磁石８からなり、主磁極８１と副磁極８２は磁化方向を図中の矢印の向きに互いに直交するように揃えて、ハルバッハ配列で界磁ヨーク７上に接着により固定されている。また、防塵の目的により、磁石表面に非磁性カバー６を貼り付けている。
図８は第２従来技術（特許文献２）を示すリニアモータの平断面図である。基本的な構成は図７のリニアモータと同じであるが、主磁極の表面に軟磁性体が貼り付けられている点が異なる。飽和磁束密度が磁石の残留磁束密度よりも大きな軟磁性体を主磁極の表面に貼り付けることで、主磁極８１と副磁極８２から発生する磁束を軟磁性体９に集中させて、推力を向上させることが可能となる。
以上に示したように、従来のリニアモータの界磁をハルバッハ配列で構成する場合、主磁極と副磁極を界磁ヨークの表面に貼り付けて構成されている。

特許３９１６０４８号公報（第５頁、図１） 特開２００７−６５４５（図１）

ところが、従来技術では、界磁ヨークに磁石を貼り付けた後に、磁石表面に防塵を目的とする非磁性カバーを取り付ける構造にすると、界磁と電機子間の磁気的ギャップが広がり、推力が低下してしまうという問題がある。また、主磁極の非磁性カバー側の表面に軟磁性体を貼り付けると、サーボ駆動時の電流リップルにより、大きな渦電流が軟磁性体部分に発生することがある。この場合、軟磁性体周辺部の温度が上がり、磁石の接着力が低下したり、磁石が減磁するという、製作上あるいは信頼性上の問題も存在する。
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、製作性や信頼性の問題がなく、高推力かつ低損失なリニアモータの界磁およびそれを備えた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ものである。
請求項１に記載の発明は、電磁鋼板を積層してなる界磁ヨークに長手方向に向かって複数の界磁用磁石を並べて配置した界磁を備えたリニアモータの界磁部において、前記複数の界磁用磁石をハルバッハ配列で構成すると共に、前記界磁ヨークの内部に前記磁石を挿入するための磁石挿入穴を挿設したことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のリニアモータの界磁部において、前記界磁ヨークは、該ヨークの磁石列と直交する方向の幅をＷｙ、該ヨークのポールシュー部分の幅をＷｐとしたとき、Ｗｐ＞Ｗｙ×０．１７としたことを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のリニアモータの界磁部において、前記界磁ヨークに方向性電磁鋼板を用いたことを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のリニアモータの界磁部と、前記界磁部と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子コアに電機子巻線を巻装してなる電機子とを備え、前記界磁と前記電機子の何れか一方を可動子とし、他方を固定子として相対移動するようにしたリニアモータであることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、電磁鋼板を積層した界磁ヨークの内部に形成した磁石挿入穴に磁石を埋め込んでいるので、磁石が脱落せず製作が容易となる。また、電磁鋼板を積層しているので、電流リップルによる渦電流の発生を抑えることができる。
請求項２に記載の発明によると、主磁極にポールシューを構成することができるので、主磁極と副磁極が発生する磁束を集中させ、推力を向上させることができる。
請求項３に記載の発明によると、方向性電磁鋼板を用いているので界磁部の磁束密度を高め、推力を向上することができる。
請求項４に記載の発明によると、高推力かつ低損失のリニアモータを提供することができる。

本発明の第１実施形態を示すリニアモータの平断面図 本発明と従来例のリニアモータの界磁部を比較した図であって、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来の界磁部を拡大した斜視図 第１実施形態を示す界磁部の平断面図 第１実施形態における界磁部の寸法を示す平断面図 界磁ヨークの諸寸法と誘起電圧の関係を解析した結果を示す図であって、（ａ）はバックヨーク幅Ｗｂ（界磁ヨーク幅Ｗｙに対する比率で表示）の変動に対するリニアモータの誘起電圧の変化、（ｂ）はポールシュー幅Ｗｐ（界磁ヨーク幅Ｗｙに対する比率で表示）の変動に対する誘起電圧の変化を示したもの 本発明の第２実施形態における界磁部の平断面図 第１従来技術（特許文献１）を示すリニアモータの平断面図 第２従来技術（特許文献２）を示すリニアモータの平断面図

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は発明の第１実施形態を示すリニアモータの平断面図である。
図１において、１はリニアモータで、電機子２と、前記電機子２と磁気的な空隙を介して対向するように配置される界磁部３とで構成されている。電機子２は、略Ｉ字形状に打ち抜いた複数の電磁鋼板を積層してなるブロックコアを複数個、長手方向に並べて連結するように構成した電機子コア４と、この電機子コア４の長手方向両端部のティースに巻装した電機子巻線５とからなる。一方、界磁部３は、電磁鋼板を積層した界磁ヨーク７０と、該界磁ヨーク７０の磁石挿入穴７１に挿設した複数個の磁石８０で構成され、複数個の磁石８０は主磁極８０１と副磁極８０２から成り、ハルバッハ配列で前記磁石挿入穴７１に挿設されている。このように、本発明が先行技術と異なる点は、従来のリニアモータではハルバッハ配列の磁石を界磁ヨークの表面に貼り付けて界磁部を構成する点に替えて、本発明ではハルバッハ配列の磁石８０を界磁ヨーク７０内に形成された磁石挿入穴７１に埋め込んだ点である。
図２は本発明と従来例のリニアモータの界磁部を比較した図であって、（ａ）は本発明、（ｂ）は従来の界磁部を拡大した斜視図である。
図２（a）、（ｂ）より、従来の界磁部では主磁極８１の表面に軟磁性体９を貼り付け、界磁ヨーク７の表面に主磁極８１と副磁極８２を交互に接着しなければならず、製作に手間が掛かる上、これらの主磁極８１と副磁極８２よりなる磁石が脱落する恐れもある。また、軟磁性体７に電機子から発生した磁束Φが鎖交するとき、大きな渦電流Jが発生することがある。これにより、温度が上昇し磁石の接着力が低下したり、減磁したりする可能性がある。さらに、防塵予防として磁石表面に非磁性カバーを貼り付けた場合、界磁部と電機子間の磁気的ギャップが広がり、推力が低下してしまうことがある。それに対して、本発明の界磁部は界磁ヨーク７０の内部に設けられた磁石挿入穴７１に磁石８０を挿入するだけで構成されるため、製作が容易であり、磁石が脱落する恐れもない。また、本発明の界磁ヨーク７は電磁鋼板１０を積層したものであるため、電機子コアからの磁束変動により発生する渦電流を低減することができる。さらに、防塵用の非磁性体カバーを取り付ける必要がないため、磁気的ギャップ間を短くし、推力を上げることが可能となる。

次に、本リニアモータの推力向上の動作原理を中心に述べる。
図３は第１実施形態を示す界磁部の一部を拡大したものである。図３に示すように、副磁極のポールシュー側部位８２１と主磁極８０１から発生する磁束Φはポールシュー７０１に流入し、ポールシュー７０１の磁束密度が電磁鋼板の飽和磁束密度に達するまで、磁束を流入させることが可能となる。通常、磁石の残留磁束密度が１．５[Ｔ]程度であり、比透磁率が１．０５程度であるのに対して、電磁鋼板の飽和磁束密度が２．０[Ｔ]程度であり、比透磁率は１００以上であるため、ポールシュー７０１部分を設けることで、界磁ヨークの表面の磁束密度を高め、推力を向上することが可能となる。このように、一定幅のポールシューを界磁ヨークに確保することで、大きな磁束を発生させることが可能となる。
図４は第１実施形態における界磁部の寸法を示す平断面図、図５は界磁ヨークの諸寸法と誘起電圧の関係を解析した結果を示す図であって、界磁ヨーク幅をＷｙ、バックヨーク７０２部分のバックヨーク幅をＷｂ、ポールシュー７０１部分のポールシュー幅をＷｐとしたとき、（ａ）はバックヨーク幅Ｗｂ（界磁ヨーク幅Ｗｙに対する比率で表示）の変動に対するリニアモータの誘起電圧の変化、（ｂ）はポールシュー幅Ｗｐ（界磁ヨーク幅Ｗｙに対する比率で表示）の変動に対する誘起電圧の変化を示したものである。ここで、界磁ヨーク幅Ｗｙは１１．６[ｍｍ]に固定し、図５（ａ）のようにバックヨーク幅Ｗｂを変動させる場合はポールシュー幅Ｗｐを０．５[ｍｍ]に固定し、図５（ｂ）のようにポールシュー幅Ｗｐを変動させる場合はバックヨーク幅Ｗｂを０．５[ｍｍ]に固定した。図５の縦軸はバックヨーク幅Ｗｂとポールシュー幅Ｗｐを共に０．５[ｍｍ]に固定したときの誘起電圧を１００[％]として表示した。
図５（ａ）に示すように、誘起電圧の変動がバックヨーク幅Ｗｂに対しては少ない傾向であり、図５（ｂ）に示すように、誘起電圧の変動がポールシュー幅Ｗｐに対しては大きい傾向にある。特に、ポールシュー幅Ｗｐは、界磁ヨークの幅Ｗｙの０．１７倍以上確保することで誘起電圧が１２０％程度まで上昇することが分かる。このように、ポールシュー部分に磁石を詰め込むのではなく、一定幅のポールシューを確保することで、誘起電圧を増加させることができる。

図６は第２実施形態における方向性電磁鋼板を使用した界磁ヨークを示したものである。
第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、方向性電磁鋼板１１の磁化容易軸方向を図に示すＤの矢印の向きに設定することで、無方向性電磁鋼板よりも矢印方向の磁気特性（透磁率や磁束密度）が向上し、界磁ヨークから電機子に流れる磁束量を増加させることが可能となる。
なお、第２実施形態の動作については、第１実施形態と基本的に同じなため、その説明を省略する。

界磁部の磁石の配置だけで、低損失、高推力のリニアモータを実現することができるので、広範囲のリニアモータに適用できる。

１ リニアモータ
２ 電機子
３ 界磁部
４ 電機子コア
５ 電機子巻線
６ 非磁性カバー
７、７０ 界磁ヨーク
７０１ ポールシュー
７０２ バックヨーク
７１ 磁石挿入穴
８、８０ 磁石
８１、８０１ 主磁極
８２、８０２ 副磁極
８２１ 副磁極のポールシュー側部位
９ 軟磁性材
１０ 電磁鋼板
１１ 方向性電磁鋼板
Ｍ 磁化方向
Φ 磁束
Ｊ 渦電流
Ｄ 磁化容易軸方向
Ｗｙ 界磁ヨーク幅
Ｗｂ バックヨーク幅
Ｗｐ ポールシュー幅

Claims (4)

1. 電磁鋼板を積層してなる界磁ヨークに長手方向に向かって複数の界磁用磁石を並べて配置した界磁を備えたリニアモータの界磁部において、
   前記複数の界磁用磁石をハルバッハ配列で構成すると共に、前記界磁ヨークの内部に前記磁石を挿入するための磁石挿入穴を挿設したことを特徴とするリニアモータの界磁部。
2. 前記界磁ヨークは、該ヨークの磁石列と直交する方向の幅をＷｙ、該ヨークのポールシュー部分の幅をＷｐとしたとき、
   Ｗｐ＞Ｗｙ×０．１７
   としたことを特徴とする請求項１記載のリニアモータの界磁部。
3. 前記界磁ヨークに方向性電磁鋼板を用いたことを特徴とする請求項１または２記載のリニアモータの界磁部。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のリニアモータの界磁部と、前記界磁と磁気的空隙Ｇを介して対向配置されると共に、電機子コアに電機子巻線を巻装してなる電機子とを備え、前記界磁と前記電機子の何れか一方を可動子とし、他方を固定子として相対移動するようにしたことを特徴とするリニアモータ。

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