JP5327701B2

JP5327701B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP5327701B2
Application number: JP2008319323A
Authority: JP
Inventors: 憲昭吉村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: JP2010148167A

Description

本発明は主に工作機械の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置などに使用されるリニアモータの構成に関するものである。

従来、工作機械の送り機構や半導体製造装置の位置決め装置などに利用される永久磁石同期リニアモータは、界磁鉄心上に永久磁石を等ピッチで配置した界磁磁極と、電機子コアと該コアのティースに集中巻きにしてなる電機子コイルを備えた電機子と、を有し、界磁磁極と電機子の何れか一方を固定子、他方を可動子として用いることができる。
上記リニアモータは発熱が小さいことが求められており、発熱の小さいモータとしては、コイルの巻回されたティースの集める磁束が多く、永久磁石による磁極数と電機子コアのティース数の関係が、８ｎ：９ｎ（ｎ：自然数）、もしくは、５ｎ：６ｎ（ｎ：自然数）、といったものが従来から使われている。
なお、リニアモータは界磁磁極を固定子、電機子を可動子としたものをムービングコイル型リニアモータ、界磁磁極を可動子、電機子を固定子としたものをムービングマグネット型リニアモータと称しているが、ここでは前者のムービングコイル型リニアモータを中心に説明する。
図７は第１従来技術を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図である。
図７において、１は界磁磁極、２は界磁鉄心、３は永久磁石、４は電機子、４１は電機子コア、５はティース、６は電機子巻線である。
固定子側となる界磁磁極１は、界磁鉄心２に複数の永久磁石３を交互に極性が異なるように等ピッチで配置したものとなっている。また、永久磁石３の磁極面には、磁気的空隙を介して可動子側となる電機子４が対向配置されている。電機子４は電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜き先端に複数のティース５を形成してなる電機子コア４１と、この複数のティース５にコイルを集中巻きにより巻回してなる電機子巻線６とから構成される。本例は、永久磁石による磁極数と電機子コアのティース数の関係が、８ｎ：９ｎ（ｎ：自然数）のリニアモータであり、ｎ＝１の場合を示したものとなっている。
図８は第２従来技術を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図である。なお、図８は、図７で説明した構成要素と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。
本例は、第２従来技術と異なり、永久磁石による磁極数と電機子コアのティース数の関係が、４ｎ：３ｎ（ｎ：自然数）のリニアモータであり、ｎ＝２の場合を示したものとなっている。
また、コギング推力の低減やモータの絶縁強化を図るためにティースを１つ置きに集中巻きにしたモータが発明されている。（例えば、特許文献１参照）
特許第４０５５７７３号

しかしながら、リニアモータは一般的に電機子コアのティース深さが長く、永久磁石による磁極数と電機子コアのティース数の関係が、８ｎ：９ｎ（ｎ：自然数）、もしくは、５ｎ：６ｎ（ｎ：自然数）といったリニアモータでは、磁極ピッチに対してティースピッチが短いために、コイルの巻回されたティースの集める磁束は多いが、磁極ピッチに対してコイルピッチが短いために、高推力では漏れ磁束が多くなって推力飽和の影響を受けやすい、という問題があった。
また、永久磁石による磁極数と電機子コアのティース数の関係が、４ｎ：３ｎ（ｎ：自然数）といったリニアモータでは、磁極ピッチに対してコイルピッチが長いために、高推力でも推力飽和の影響を受けにくいが、磁極ピッチに対してティースピッチが長いために、コイルの巻回されたティースの集める磁束が少ない、という問題があった。
さらに、特許文献１記載のリニアモータにおいても、永久磁石による磁極数と電機子コアのティース数の関係が、４ｎ：３ｎ（ｎ：自然数）といったリニアモータと同様の問題や、コギング推力は低減されていても誘起電圧の高調波成分が大きく、制御特性が低下する、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、推力飽和の影響を受け難くすると共に、コイルの巻回されたティースの集める磁束が多く、しかも誘起電圧の高調波成分を小さくすることのできる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、請求項１に記載の発明は、界磁鉄心上に交互に極性が異なる複数の永久磁石を等ピッチで配置した界磁磁極と、前記界磁磁極と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子コアと該コアのティースにコイルを集中巻きに巻回してなる電機子巻線とを備えた電機子を有し、前記界磁磁極と前記電機子の何れか一方を固定子、他方を可動子として相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、前記電機子コアのティースは、該コイルを巻回する第１のティースと、該コイルを巻回しない第２のティースとで構成されており、前記永久磁石による磁極数と、前記電機子コアのティース数の関係を、４ｎ：６ｎ−１（ｎ：自然数）とすると共に、前記電機子コアのティースピッチが磁極ピッチτに対し、２τ／３、かつ、前記電機子コアに巻回されたコイルピッチが磁極ピッチτに対し、４τ／３、とするようにし、前記第２のティースは、矩形形状を備えており、前記第１のティースは、末広がり形状を実現する突起部を先端部に備えるとともに前記第２のティースよりも長い、略矩形形状を備えている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に記載のリニアモータにおいて、前記コイルを巻回しない第２のティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｄ２は、前記該コイルを巻回する第１のティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ２よりも短く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２に記載のリニアモータにおいて、前記コイルを巻回しない第２のティースの長さＬｔｄ２と、前記該コイルを巻回する第１のティースの長さＬｔｃ２との比Ｌｔｄ２／Ｌｔｃ２を、０．５≦（Ｌｔｄ２／Ｌｔｃ２）＜１に設定し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１〜３までの何れか１項に記載のリニアモータにおいて、前記電機子コアの両端には、前記第１のティースの形状とは異なる形状の補助ティース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、推力飽和の影響を受け難くすると共に、コイルの巻回されたティースの集める磁束が多い、リニアモータの構成を得ることができる。
また、コイルの巻回されたティースの集める磁束が多い、リニアモータの構成を得ることができる。
請求項２、請求項３に記載の発明によると、上述の効果に加えて、コイルの誘起電圧の高調波成分が小さくなって制御特性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、上述の効果に加えて、コギング推力の低減されたリニアモータの構成を得ることができる。

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コイル型リニアモータ側断面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じ構成要素については同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図１において、５１、５２、５３、５４、５５、５６はコイルを巻回してなるティース、７１、７２、７３、７４、７５はコイルを巻回しないティース、６１、６２、６３、６４、６５、６６は電機子巻線である。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、電機子コア４１のティース５１、５２、５３、５４、５５、５６にはコイルを集中巻により巻回して電機子巻線６１、６２、６３、６４、６５、６６を形成し、コイルを巻回したティース５１、５２、５３、５４、５５、５６間にはそれぞれコイルを巻回しないティース７１、７２、７３、７４、７５を配置し、前記コイルを巻回するティースと前記コイルを巻回しないティースとを交互に一つおきに配置するようにした点である。
また、リニアモータは、永久磁石３による磁極数と、電機子コア４１のティース数の関係を、４ｎ：６ｎ−１（ｎ：自然数）とすると共に、電機子コア４１のティースピッチが磁極ピッチτに対し、２τ／３、かつ、電機子コア４１のティース５１、５２、５３、５４、５５、５６に巻回された電機子巻線６１、６２、６３、６４、６５、６６のコイルピッチが磁極ピッチτに対し、４τ／３としてあり、コイルを巻回しないティースの磁石列と平行する方向の長さＬ_ｔｄ１は、コイルを巻回するティースの磁石列と平行する方向の長さＬ_ｔｃ１よりも短くした構成となっている。
ここで、電機子巻線は、図１の左端ティース５１より１ティースおきに、正巻に巻回され、相順をＵ相、Ｖ相、Ｗ相となるように配置してある。また、図１においては、ｎ＝２の場合を示した。
ところで、上記説明では、電機子巻線を、図１の左側の端ティースより１ティースおきに、正巻で巻回され、相順をＵ相、Ｖ相、Ｗ相となるように配置する例を述べたが、逆巻で巻回され、相順をＵ相、Ｖ相、Ｗ相となるように配置してもよい。
また、相順についてもＵ相、Ｖ相、Ｗ相となるように配置する例を述べたが、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相またはＷ相、Ｕ相、Ｖ相、またはＷ相、Ｖ相、Ｕ相、またはＶ相、Ｕ相、Ｗ相、またはＵ相、Ｗ相、Ｖ相となるように配置してもよい。

図２は、第１実施例における可動子位置と鎖交磁束の関係を示す図であって、ティースの集める磁束波形を表したものである。
第１実施例の効果を確認するために、例えば、電機子コアの寸法をＬ_ｔｄ１＝６．９［ｍｍ］、Ｌ_ｔｃ１＝１．０［ｍｍ］、Ｌ_ｔｄ２＝Ｌ_ｔｃ２=３４．５［ｍｍ］として、シミュレーションを行った。図２から、電機子コアの巻回しないティースありの場合（第１実施例）と、巻回しないティースなしの場合（従来技術）を比較すると、前者の電機子コアの巻回しないティースありの場合のほうが、コイルの巻回されたティースの集める磁束が多くなるという効果を確認した。また、コイルピッチが磁極ピッチよりも長いために推力飽和の影響を受けにくくなる、という効果も確認した。
したがって、第１実施例によれば、従来技術は全てのティースにコイルを巻回していたが、図１に示すようにコイルを巻回するティース５１、５２、５３、５４、５５、５６とコイルを巻回しないティース６１、６２、６３、６４、６５とを交互に配置し、従来の電機子を構成する６本のティースの間にコイルを巻回するティースを配置するようにしたので、推力飽和の影響を受け難くすると共に、コイルの巻回されたティースの集める磁束が多くなるという効果を奏するリニアモータを提供することができる。

図３は本発明の第２実施例を示すムービングコイル型リニアモータ側断面図である。なお、第２実施例以下、第１実施例で説明した構成要素と同じであるため、その説明を省略する。
第１実施例のリニアモータ（図１）で、コイルを巻回したティース５１、５２、５３、５４、５５、５６間にコイルを巻回しないティース７１、７２、７３、７４、７５を配置した構成において、コイルを巻回するティースの長さＬ_ｔｃ２とコイルを巻回しないティースの長さＬ_ｔｄ２が等しい例を示したが、第２実施例のリニアモータは、図３に示すように該コイルを巻回しないティースの長さＬ_ｔｄ２を、該コイルを巻回するティースの長さＬ_ｔｃ２よりも短くしたものとなっている。

図４は第２実施例における可動子位置と鎖交磁束の関係を示す図であって、ティースの集める磁束波形を表したものである。
第２実施例の効果を確認するために、例えば、電機子コアの寸法をＬ_ｔｄ１＝６．９［ｍｍ］、Ｌ_ｔｃ１＝１．０［ｍｍ］、Ｌ_ｔｃ２=３４．５［ｍｍ］の場合において、Ｌ_ｔｄ２＝３４．５［ｍｍ］、３２．０［ｍｍ］、２９．５［ｍｍ］と変化させてシミュレーションを行った。
コイルを巻回しないティースの長さＬ_ｔｄ２を、コイルを巻回するティースの長さＬ_ｔｃ２より短くしていくと、図４のようにコイルの鎖交磁束の波形が正弦波に近づき、誘起電圧の高調波成分を小さくなるために制御特性が向上するという効果という効果を確認した。
したがって、第２実施例によれば、コイルを巻回しないティースの長さＬ_ｔｄ２を、コイルを巻回するティースの長さＬ_ｔｃ２よりも短くしたので、第１実施例と同様の効果以外に、誘起電圧の高調波成分を小さくできる効果を奏するリニアモータを提供することができる。

図５は本発明の第３実施例を示すムービングコイル型リニアモータ側断面図である。
第１実施例および第２実施例のリニアモータ（図１、図３）で、コイルを巻回したティース５１、５２、５３、５４、５５、５６の形状と、コイルを巻回しないティース７１、７２、７３、７４、７５の形状は互いに同じ矩形状の例を示したが、第３実施例のリニアモータは、図５に示すように該コイルを巻回するティースの先端形状を例えば、鋭利な突起を施すなどの形状に変えて、該コイルを巻回しないティースとは異なる先端形状にしている。

したがって、第３実施例はコイルを巻回するティースの先端形状を、該コイルを巻回しないティースの先端形状とは異なり、ティース先端をティース根元と比較してその面積を大きくしているため、第１実施例、第２実施例よりもさらにコイルの巻回されたティースの集める磁束が多くなるという効果がある。

図６は本発明の第４実施例を示すムービングコイル型リニアモータ側断面図である。
第４実施例が第３実施例と異なる点は、電機子コア４１の両端には、コイルを巻回するティース５１、５６の形状とは異なる形状の補助ティース８１、８２を配置した点である。

第４実施例は補助ティースを配置しているため、上述の第1実施例乃至第３実施例で得られる効果以外にコギング推力が低減されるという効果がある。

本発明の第１実施例を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図、第１実施例における可動子位置と鎖交磁束の関係を示す図であって、ティースの集める磁束波形を表したもの、本発明の第２実施例を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図、第２実施例における可動子位置と鎖交磁束の関係を示す図であって、ティースの集める磁束波形を表したもの、本発明の第３実施例を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図、本発明の第４実施例を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図、第１従来技術を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図、第２従来技術を示すムービングコイル型リニアモータの側断面図

符号の説明

１界磁磁極
２界磁鉄心
３永久磁石
４電機子
４１電機子コア
５、５１、５２、５３、５４、５５、５６コイルを巻回してなるティース、
６、６１、６２、６３、６４、６５、６６電機子巻線、
７１、７２、７３、７４、７５コイルを巻回しないティース、
８１、８２補助ティース

Claims

界磁鉄心上に交互に極性が異なる複数の永久磁石を等ピッチで配置した界磁磁極と、
前記界磁磁極と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子コアと該コアのティースにコイルを集中巻きに巻回してなる電機子巻線とを備えた電機子を有し、前記界磁磁極と前記電機子の何れか一方を固定子、他方を可動子として相対的に走行するようにしたリニアモータにおいて、
前記電機子コアのティースは、該コイルを巻回する第１のティースと、該コイルを巻回しない第２のティースとで構成されており、
前記永久磁石による磁極数と、前記電機子コアのティース数の関係を、４ｎ：６ｎ−１（ｎ：自然数）
とすると共に、前記電機子コアのティースピッチが磁極ピッチτに対し、２τ／３、かつ、前記電機子コアに巻回されたコイルピッチが磁極ピッチτに対し、４τ／３とするようにし、
前記第２のティースは、矩形形状を備えており、
前記第１のティースは、末広がり形状を実現する突起部を先端部に備えるとともに前記第２のティースよりも長い、略矩形形状を備えている
ことを特徴とするリニアモータ。
前記コイルを巻回しない第２のティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｄ２は、前記該コイルを巻回する第１のティースの磁石列と直交する方向の長さＬｔｃ２よりも短くしたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
前記コイルを巻回しない第２のティースの長さＬｔｄ２と、前記該コイルを巻回する第１のティースの長さＬｔｃ２
との比Ｌｔｄ２／Ｌｔｃ２を、０．５≦（Ｌｔｄ２／Ｌｔｃ２）＜１に設定したことを特徴とする請求項２に記載のリニアモータ。
前記電機子コアの両端には、前記第１のティースの形状とは異なる形状の補助ティースを設けたことを特徴とする請求項１〜３までの何れか１項に記載のリニアモータ。