JP2015104200A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】加減速区間と等速区間との両方でモータ効率を高くすることができるムービングマグネット型のリニアモータを提供する。
【解決手段】本発明のリニアモータは、磁石２ａ，２ｂを有し、直線的に移動可能な可動子１と、可動子１の磁石２ａ，２ｂに隙間を介して対向するコア付きコイル部４ａ及びコアレスコイル部４ｂを有し、コア付きコイル部４ａ及びコアレスコイル部４ｂが可動子１の進行方向に並べられる固定子４と、を備える。コア付きコイル部４ａは、可動子１の進行方向に並べられ、コイルの内側に磁性材料のコア７のティース７ａが挿入される少なくとも一つのコア付きコイル６ａを有する。コアレスコイル部４ｂは、可動子１の進行方向に並べられ、コイルの内側に磁性材料のコア７のティース７ａが挿入されない少なくとも一つのコアレスコイル６ｂを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁石を有する可動子がコイルを有する固定子に対して直線的に移動するムービングマグネット型のリニアモータに関する。

リニアモータは、例えば工場内の製品搬送装置、工作機械、半導体製造装置等の直動機構の駆動用に用いられる。リニアモータには、磁石が移動するムービングマグネット型のリニアモータと、コイルが移動するムービングコイル型のリニアモータと、がある。

ムービングマグネット型のリニアモータとして、特許文献１には、磁石を有する可動子と、可動子の進行方向に並べられる複数のコイルを有する固定子と、を備えるものが開示されている。可動子の磁石は、固定子のコイルに隙間を介して対向し、コイルの配列方向に直線的に移動可能である。例えばコイルに三相交流を供給すると、磁石に発生する磁界とコイルに流れる電流との相互作用によって、可動子がコイルの配列方向に直線的に移動する。

特開２００５−２４５０６６号公報

ムービングマグネット型のリニアモータの可動子を往復運動させるとき、可動子のストローク中には、可動子を加減速させる加減速区間と、可動子を等速度で移動させる等速区間と、が存在する。典型的には、等速区間の両側に一対の加減速区間が配置される。可動子は加減速区間で加速され、一定の速度で等速区間を移動した後、加減速区間で減速される。

ところで、ムービングマグネット型のリニアモータのコイルには、コア付きのものとコアレスのものがある。従来のムービングマグネット型のリニアモータには、可動子を加減速区間及び等速区間で移動させるにあたって、以下の課題がある。

コア付きのムービングマグネット型のリニアモータにあっては、コイルの内側にコアを挿入するので、加減速区間で高推力を得ることができるという利点がある。しかし、加減速区間ほど推力を必要としない等速区間において、可動子の磁石とコアとの磁気的な吸引力に起因したコギングが発生し、コギングが可動子の等速移動を妨げるという課題がある。

コアレスのムービングマグネット型のリニアモータにあっては、コイルの内側にコアを挿入しないので、等速区間においてコギングを抑制できるという利点がある。しかし、コイルの内側にコアを挿入しないので、推力を必要とする加減速区間で高推力を得ることができないという課題がある。

そこで、本発明は、加減速区間と等速区間との両方でモータを最適に駆動することができるムービングマグネット型のリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、磁石を有し、直線的に移動可能な可動子と、前記可動子の前記磁石に隙間を介して対向するコア付きコイル部及びコアレスコイル部を有し、前記コア付きコイル部及び前記コアレスコイル部が前記可動子の進行方向に並べられる固定子と、を備え、前記コア付きコイル部は、前記可動子の進行方向に並べられ、コイルの内側に磁性材料のコアのティースが挿入される少なくとも一つのコア付きコイルを有し、前記コアレスコイル部は、前記可動子の進行方向に並べられ、コイルの内側に磁性材料のコアのティースが挿入されない少なくとも一つのコアレスコイルを有するリニアモータである。

本発明の一態様によれば、加減速区間にコア付きコイル部を配置することによって、加減速区間で高推力を得ることができる。また、推力をほとんど必要としない等速区間にコアレスコイル部を配置することで、等速区間でのコギングを抑制できる。したがって、加減速区間と等速区間の両方でモータを最適に駆動することができる。

本発明の一実施形態のリニアモータの要部の斜視図 本実施形態のリニアモータの進行方向から見た正面図 可動子の加減速区間及び等速区間と、固定子のコア付きコイル部及びコアレスコイル部の配置と、の関係を示す図（図３中の上段は固定子の平面図であり、図３の下段は可動子の加減速区間及び等速区間を示すグラフである） 本実施形態のリニアモータの制御系の構成図

以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態のリニアモータを説明する。図１は、本実施形態のリニアモータの要部斜視図を示す。図１に示すように、本実施形態のリニアモータは、永久磁石２ａ，２ｂを有する可動子１と、コイル６ａ，６ｂを有する固定子４と、を備える。可動子１は、固定子４に対して一方向Ａに直線的に移動可能である。

図１に示すように、可動子１は、磁性材料の板状のバックヨーク３と、バックヨーク３に取り付けられる第一及び第二の永久磁石２ａ，２ｂと、を備える。第一及び第二の永久磁石２ａ，２ｂは、可動子１の進行方向と直交する方向（図１の上下方向）にＮ極及びＳ極が着磁される。第一及び第二の永久磁石２ａ，２ｂは、バックヨーク３側が互いに異極になるようにバックヨーク３に取り付けられる。この実施形態では、第一の磁石２ａのバックヨーク３側がＮ極に、第二の磁石２ｂのバックヨーク３側がＳ極になる。バックヨーク３、第一及び第二の永久磁石２ａ，２ｂによって、磁気回路が形成される。

図２は、本実施形態のリニアモータの正面図を示す。可動子１は、ステージ１１の下面に取り付けられる。固定子４は、ベース１２の上面に取り付けられる。ステージ１１は、ベース１２にリニアガイド１３を介して直線運動可能に案内される。リニアガイド１３は、ベース１２に取り付けられる軌道レールと、ステージ１１に取り付けられる移動ブロックと、を備える。ステージ１１の移動方向から見て、リニアガイド１３は、可動子１の左右の両側に配置される。

図１に示すように、固定子４は、コア７と、コア７の複数のティース７ａが挿入される複数のコア付きコイル６ａと、コア７のティース７ａが挿入されない複数のコアレスコイル６ｂと、を備える。固定子４は、可動子１の進行方向において、コアレスコイル部４ｂと、コアレスコイル部４ｂの両側の一対のコア付きコイル部４ａと、に区画される。コアレスコイル部４ｂは、可動子１の進行方向の中央に配置され、一対のコア付きコイル部４ａは、コアレスコイル部４ｂの両側に配置される。コアレスコイル部４ｂ及び一対のコア付きコイル部４ａは、可動子１の進行方向に並べられる。

コア付きコイル部４ａは、コイルの内側に磁性材料のコア７のティース７ａが挿入される複数のコア付きコイル６ａからなる。複数のコア付きコイル６ａは、可動子１の進行方向に直線的に並べられる。コア付きコイル６ａは、三つで一組の三相コイルからなる。コア付きコイル６ａの個数は三の倍数である。

コアレスコイル部４ｂは、コイルの内側に磁性材料のコア７のティース７ａが挿入されない複数のコアレスコイル６ｂを備える。複数のコアレスコイル６ｂは、可動子１の進行方向に直線的に並べられる。コアレスコイル６ｂは、三つで一組の三相コイルからなる。コアレスコイル６ｂの個数は三の倍数である。コア付きコイル６ａ及びコアレスコイル６ｂはいずれも、直線的に移動する可動子１の永久磁石２ａ，２ｂに隙間を介して対向する。コアレスコイル６ｂの巻き数は、コア付きコイル６ａの巻き数に等しい。

コア７は、可動子１の進行方向に細長く、コアレスコイル部４ｂ及びコア付きコイル部４ａが配置されるコア本体７ｂと、コア本体７ｂに一体に形成される複数のティース７ａと、を備える。複数のティース７ａは、コア付きコイル部４ａにのみ形成されている。ティース７ａは、コア付きコイル部４ａのコア付きコイル６ａに挿入される。コア７は、電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜き、打ち抜いた電磁鋼板を積層することによって形成される。

コア付きコイル部４ａにおいて、コア付きコイル６ａの内側には磁性材料のコア７のティース７ａが挿入される。コア付きコイル６ａ内の磁界が強くなるので、高推力を得ることができる。しかし、コア付きコイル６ａの内側にティース７ａを挿入すると、図２に示すように、可動子１の永久磁石２ａ，２ｂとコア７のティース７ａとの間に磁気的吸引力Ｐが働く。この磁気的吸引力Ｐに起因するコギングは、可動子１を等速で移動させている間（等速区間）に、可動子１の等速の移動を妨げようとする。このため、等速区間にコアレスコイル部４ｂを配置し、可動子１の永久磁石２ａ，２ｂとコア７のティース７ａとの間に磁気的吸引力が働くのを防止している。なお、可動子１を加減速させている間（加減速区間）には、コギングはあまり問題になることはない。加減速区間では、コギングに比べて大きな推力が働き、コギングを無視できるからである。

図３は、可動子１の加減速区間及び等速区間と、固定子４のコア付きコイル部４ａ及びコアレスコイル部４ｂの配置と、の関係を示す図である。図３の上段は、固定子４の平面図を示す。コア付きコイル部４ａでは、コア付きコイル６ａの幅方向の両端部（図３の上下端部）が黒塗りで示されていて、コアレスコイル部４ｂでは、コアレスコイル６ｂの幅方向の両端部（図３の上下端部）が白抜きで示されている。

図３の下段の（２）は、台形駆動を行ったときの可動子１の速度を示すグラフである。可動子１は、固定子４上を往復運動する。可動子１が左から右に向かって移動するとき、可動子１は、まず左側の加減速区間において加速される。そして、最高速度に到達後、等速区間において、一定の速度で移動する。そして、右側の加減速区間において減速される。可動子１が右から左に移動するときも同様である。

図３に示すように、コア付きコイル部４ａは、可動子１が加減速して移動する加減速区間に配置される。コアレスコイル部４ｂは、等速度で移動する等速区間に配置される。

本実施形態のリニアモータによれば、以下の効果を奏する。固定子４の全区間をコア付きコイル部４ａにすると、加減速区間で高推力を得ることができるという利点がある。しかし、等速区間ではコギングの影響が大きくなるので、可動子１を等速で移動させるのが困難になるという課題がある。一方、固定子４の全区間をコアレスコイル部４ｂにすると、等速区間でのコギングを抑制できるので、可動子１を等速で移動させるのが容易になるという利点がある。しかし、推力を必要とする加減速区間で高推力を得ることができないという課題がある。

本実施形態のリニアモータによれば、大きい推力を必要とする加減速区間にコア付きコイル部４ａを配置し、推力をほとんど必要としない等速区間にコアレスコイル部４ｂを配置するので、加減速区間と等速区間の両方でモータを最適に駆動することができる。

コアレスコイル部４ｂの両側に一対のコア付きコイル部４ａを配置するので、台形駆動に適したコイル配置にすることができる。

コアレスコイル部４ｂ及びコア付きコイル部４ａを、コア７のコア本体７ｂに配置するので、コアレスコイル部４ｂのバックヨークとコア付きコイル部４ａのバックヨークとを兼用することができる。したがって、リニアモータの構造が簡素化する。

なお、図３には、固定子４のコア付きコイル部４ａが可動子１の加減速区間に完全に一致し、固定子４のコアレスコイル部４ｂが可動子１の等速区間に完全に一致する例が示されているが、固定子４のコア付きコイル部４ａの少なくとも一部が可動子１の加減速区間に配置されればよく、固定子４のコアレスコイル部４ｂの少なくとも一部が可動子１の等速区間に配置されればよい。すなわち、図３の下段のグラフの加減速区間と等速区間との境目Ｌ１，Ｌ２が、コア付きコイル部４ａとコアレスコイル部４ｂとの境目Ｌ３，Ｌ４に比べて右側に寄ってもよいし、左側に寄ってもよい。

図３の下段のグラフの（１）は、コアレスコイル部４ｂでも加減速を行った三角駆動の波形を示す。三角駆動させるとき、固定子４の左半分で加速を行い、固定子４の右半分で減速を行うことになる。コアレスコイル部４ｂでは、コイルの内側にコア７のティース７ａが挿入されないので、推力が落ちる。このため、速度の傾きがコア付きコイル部４ａに比べて緩やかになる。

図４は、本実施形態のリニアモータの制御系の構成を示す。制御系は、リニアモータ２０を制御するのに電力を供給する電力変換器２１、リニアモータ２０に流れる電流を検出する電流センサ２２、リニアモータ２０の速度・位置を検出するセンサ２３，２４、指令器２６及びセンサ２２〜２４からの情報により電力変換器２１を制御することでリニアモータ２０を制御する制御器２７から構成される。上位の指令器２６は、制御器２７に台形駆動を行うように位置指令を与える。本実施形態のリニアモータによれば、等速区間において、コギングを抑制するので、等速区間において、リニアモータに流す電流が自動的に減少する。

なお、本発明は上記実施形態に限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に変更できる。

可動子の永久磁石の個数は二個に限られることはない。可動子の磁石には、永久磁石の替わりに電磁石を用いることもできる。

上記実施形態では、固定子に一つのコアレスコイル部を配置し、一つのコアレスコイル部の両側に一対のコア付きコイル部を配置しているが、固定子に二以上のコアレスコイル部を配置し、各コアレスコイル部の両側に一対のコア付きコイル部を配置することもできる。また、固定子の左半分をコアレスコイル部とし、右半分をコア付きコイル部とすることもできる。

上記実施形態では、コアレスコイルの巻き数をコア付きコイルの巻き数に等しくしているが、コアレスコイルの巻き数をコア付きコイルの巻き数よりも大きくすることもできる。これにより、コアレスコイル部の推力がコア付きコイル部の推力よりも低下するのを防止できる。

本発明のリニアモータは、例えば工場内の製品搬送装置、工作機械、半導体製造装置等の直動機構の駆動用に用いることができる。

可動子を長いストロークで高速移動させるのに適しているので、リニアモーターカー（リニアモータで駆動する車両）としても使用できる。リニアモーターカーは、可動子としての車両と、固定子としての軌道側と、を備える。車両が電磁石を備え、軌道側が推進用のコイルを備える。推進用のコイルは、車両の移動方向に直線的に並べられる。車両は、推進用のコイルと電磁石との間の反発力及び吸引力によって進む。

１…可動子，２ａ，２ｂ…永久磁石（磁石），４…固定子，４ａ…コア付きコイル部，４ｂ…コアレスコイル部，６ａ…コア付きコイル，６ｂ…コアレスコイル，７…コア，７ａ…ティース，７ｂ…コア本体

Claims (4)

1. 磁石を有し、直線的に移動可能な可動子と、
   前記可動子の前記磁石に隙間を介して対向するコア付きコイル部及びコアレスコイル部を有し、前記コア付きコイル部及び前記コアレスコイル部が前記可動子の進行方向に並べられる固定子と、を備え、
   前記コア付きコイル部は、前記可動子の進行方向に並べられ、コイルの内側に磁性材料のコアのティースが挿入される少なくとも一つのコア付きコイルを有し、
   前記コアレスコイル部は、前記可動子の進行方向に並べられ、コイルの内側に磁性材料のコアのティースが挿入されない少なくとも一つのコアレスコイルを有するリニアモータ。
2. 前記コアレスコイル部の両側に一対の前記コア付きコイル部が配置されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記コア付きコイル部の少なくとも一部は、前記可動子が加減速して移動する加減速区間に配置され、
   前記コアレスコイル部の少なくとも一部は、前記可動子が等速度で移動する等速区間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
4. 前記コアは、
   前記可動子の進行方向に細長く、前記コアレスコイル部及び前記コア付きコイル部が配置されるコア本体と、
   前記コア本体に一体に形成され、前記コア付きコイル部の前記少なくとも一つのコイルに挿入される少なくとも一つのティースと、を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のリニアモータ。
   
   

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