JP5460991B2

JP5460991B2 - リニアモータの固定子

Info

Publication number: JP5460991B2
Application number: JP2008249717A
Authority: JP
Inventors: 庸市川井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-29
Also published as: JP2010081769A

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固定子に関する。

従来から、工作機械等の産業機械では、高速、高精度化を実現するための手段としてリニアモータが使用されている。このようなリニアモータの中で、特に長ストロークの機械において、高価な永久磁石を可動子側に配置することで、永久磁石の使用量を少なくして、モータの低コスト化を実現したリニアモータが特許文献１に開示されている。

図４は、特許文献１に開示された従来のリニアモータを示すもので、（ａ）は断面構造図、（ｂ）は永久磁石の着磁方向を示す図である。図４（ａ）において、１２は固定子であり例えば工作機械のベッドに固定される。固定子１２は、電磁鋼板等の軟磁性体で形成され、表面にはピッチＰで固定子突極１０が形成されている。また、１１は可動子であり例えば工作機械のテーブルに固定され、工作機械のベッドとテーブル間に設けたころがりガイド等で図４のＸ軸方向に移動可能に支持される。可動子１１も固定子１２と同様、例えば電磁鋼板を積層して形成される。さらに、１３，１４，１５は可動子１１を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相のティースであり、それぞれがＸ軸方向に相対的に電気角１２０°に相当する（Ｐ／３）ピッチだけずらして配置されている。

１６，１７，１８は各ティースに巻回されたＵ，Ｖ，Ｗ相の交流巻線、１９は可動子１１の表面にＮ，Ｓ，Ｎ，・・の順に交互に配置された永久磁石であり、各相ティースには図４（ｂ）で示すようにＮ，Ｓを一組とすると３組の永久磁石がピッチＰで配置されている。２０は可動子磁気ヨーク、２１は固定子磁気ヨーク、２２は交流巻線１６，１７，１８にＵ→ＶＷの方向に電流を与えた状態における磁束の様子を表している。尚、交流巻線１６，１７，１８は、図５に示すようにＵ相，Ｖ相，Ｗ相が中性点で接続されているスター巻線に結線されている。

いま、交流巻線１６，１７，１８に電流を印加すると、３相のティースは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１９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ため、各相のティースはＮ極もしくはＳ極のどちらか一方に励磁され、Ｎ極もしくはＳ極の大きな一つの磁極となる。そして各ティースおよび固定子側を通過した磁束は図４の２２に示すような閉ループを構成する。この時、可動子と固定子に位置に応じた磁気吸引力が生ずることで、可動子に推力が発生する。

さらに詳しく磁束の流れについて説明する。いま、Ｕ→Ｖ，Ｗ相、すなわち交流巻線１６は図示した巻線方向、交流巻線１７，１８には図示した巻線方向と反対方向に電流を流すと、図４のティース１３はＳ極に、ティース１４，１５はＮ極になり、磁束２２で示すように、磁束はティース１３からティース１４，１５に流れ、つぎに固定子１２を通って再びティース１３に戻るという磁路を形成する。すると、可動子１１にはＸ軸方向に磁気吸引力が働き推力が発生する。

図４に示した従来のリニアモータの特徴は、高価な永久磁石を可動子側に配置しているので、リニアモータのストロークが長くなる場合には永久磁石の使用量が少なく済むため、リニアモータの低コスト化を実現できることである。また、可動子の永久磁石１９で構成された各相の複数の磁極を一つの巻線で励磁する巻線方式にしたので、巻線長が短くなり、電流が巻線内を流れる電機抵抗による損失、いわゆる銅損が小さくなり効率が高くなるという特徴も有する。

尚、交流巻線の接続方法については、図５に示したスター巻線の他にも、Δ巻線を採用することも可能である。

図６は従来技術による一般的な固定子１２を示す図である。ステータに発生する渦電流を減らすために、電磁鋼板を積層して構成される。また、可動子との間に発生する磁気吸引力により固定子が変形し、モータ特性が低下したり、可動子と固定子が接触したりすることを避けるために、電磁鋼板を接着材で固定して剛性を上げている。

特開２００５−１８５０６１号公報

しかし、上述したような従来のリニアモータの固定子には以下に説明するような課題があった。

積層される各電磁鋼板の表面には、磁気絶縁コーティングが施されているため、嫌気性接着材等の自然硬化型の接着材では、接着強度が弱く使用できない。そこで、エポキシ系の熱硬化型の接着材や、あらかじめ接着材がコーティングされた接着コート付き電磁鋼板を使用するのが一般的である。接着材を塗布して積層した固定子は、120℃から200℃程度の炉に一定時間入れられ硬化させる。

この熱硬化作業により、図７に示すように固定子１２に反りが発生する。その原因は、固定子の可動子に対向する面に固定子突極が設けられており、その反対側の裏面は平面であるため、熱を加えると、両側の面で発生する熱応力が異なるためである。このように固定子に反りが発生すると、可動子とのエアギャップが均一ではなくなるため、組付後のエアギャップの確認が困難となる。そのため、組付精度の低下や、エアギャップが部分的に広くなり、広くなったエアギャップ部の磁気抵抗が増加するため、磁束密度が低下し、所望の推力が得られなくなる。

また、この反りを無くすために、固定子の突極上面を追加加工して平面にすることもできるが、加工により電磁鋼板のプレス加工で固定子突極の角部に生成される０．３ｍｍ程度のＲ部が無くなるため、この部分でのパーミアンス変化が急峻になり、モータリップルが大きくなる。また、固定子表面を加工することにより隣同士の電磁鋼板と電気的に接触することになるため、うず電流が発生しモータの損失が発生する。さらに、加工工数の増加により原価アップとなることから実施は困難である。

本発明におけるリニアモータにおいては、可動子の移動方向に沿って所定の間隔を設けて配置され、表面にピッチＰの間隔で同じ幅の複数の固定子突極を備えたリニアモータの固定子において、前記固定子突極の形状と同じ形状の突極が、前記固定子の前記可動子に対向する面と反対側の裏面にも配置されており、該裏面に配置された前記突極の凹部には、該凹部を埋めるように凸部を有する固定子補助ヨークが嵌合されていることを特徴とする。

また、前記固定子は、電磁鋼板を積層して構成され、積層された前記電磁鋼板は、それぞれ接着固定されていることを特徴とする。

可動子の移動方向に所定の間隔を設けて配置され、表面にピッチＰの間隔で同じ幅の複数の固定子突極を備えたリニアモータの固定子において、前記固定子突極の形状と略同じ形状の突極を、可動子に対向する面と反対側の裏面に配置することで、接着硬化時の固定子の反りを低減できるため、可動子と固定子のエアギャップを均一に保つことができ、所望のモータ推力を得ることができる。

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、実施例１に係るリニアモータの固定子を示す図である。３０は本発明による固定子を示しており、複数の電磁鋼板を積層接着して構成されている。固定子３０には、可動子と対向する面に固定子突極１０ａが配置されており、反対側の裏面にも固定子突極１０ａと同形状の突極１０ｂが配置されている。可動子およびその他の記号は、図４と同じである。

実施例１のリニアモータの固定子は、可動子の対向する面と、反対側の裏面とに、それぞれ略同じ形状の突極が配置されている。したがって、電磁鋼板の接着硬化時に温度を上げても、熱応力が両面で均一にかかるため、固定子の反りが無くなる。

尚、固定子３０の固定子磁気ヨーク３２は、図４の固定子磁気ヨーク２１と同じ幅Ｈｙを確保するようにしている。これは、固定子磁気ヨークの幅Ｈｙが狭くなると、固定子磁気ヨーク部に生成される磁束２２の磁気飽和限界が低くなってしまい、ピーク推力が低下するからである。したがって、固定子３０の幅Ｈ１は、図４の従来のリニアモータの固定子の幅Ｈ４と比較して、突極１０ｂの高さＨｃだけ、広くなる。

図２は、実施例２に係るリニアモータの固定子を示す図である。３５は本発明によるリニアモータの固定子を示しており、可動子と対向する面に固定子突極３６ａ、反対側の裏面に固定子突極３６ａと同形状の突極３６ｂが配置されている。また、突極３６ｂの凹部を埋めるように、凸部を有する固定子補助ヨーク３７が接着等により固定されている。可動子およびその他の記号は、図４と同じである。

実施例２の固定子突極３６ａと突極３６ｂは、実施例１と同じ内容であるが、突極３６ｂには、固定子補助ヨーク３７が嵌合されているため、磁束２２は、突極３６ｂの凹部に嵌合された固定子補助ヨーク３７を通過することができる。したがって、固定子３５の固定子磁気ヨーク３８の幅Ｈｙ２は、図４の固定子磁気ヨーク２１の幅Ｈｙと同じ幅にすることができ、固定子３５の幅Ｈ２も固定子３０の幅Ｈ１と同じにできる。

このように、実施例２のリニアモータの固定子は、従来のリニアモータと同じサイズであるが、固定子３５は、可動子に対向する面と、その反対側の裏面とにそれぞれ略同じ形状の突極を配置しているため、電磁鋼板の接着硬化時に温度を上げても、熱応力が両面で均一にかかり、固定子の反りが無くなる。

尚、固定子補助ヨーク３７は、凸部である突極３９と、突極３９と接続する接続部４０とで構成されているが、接続部４０は無くても、実施例２と同様の効果が得られる。ただし、固定子補助ヨーク３７は一体とした方が、固定子３５に固定する際に、一つ一つの突極３９を、固定子突極３６ｂの凹部に嵌め込む作業に比べると作業時間を短くできる。

また、固定子補助ヨーク３７は、固定子突極３６ｂを打ち抜いた電磁鋼板等の残材を利用して製造できるが、通常、打ち抜いた固定子補助ヨーク３７の突極３９の幅は、固定子突極３６ｂの幅よりも大きくなるため、嵌合が難しくなる。このため、突極３６ｂと突極３９とを台形形状にすると、容易に嵌合できる。

図３は、本発明を磁気吸引力相殺型のリニアモータに適用した場合を示しており、図１のリニアモータを、中心軸６３を対称軸として、折り返した構造となっている。ＳＩＤＥ−ＡとＳＩＤＥ−Ｂに発生する磁気吸引力は、同じ大きさで方向が反対となるため、磁気吸引力は相殺される。磁気吸引力相殺型では、取り付けた機器にモータの磁気吸引力が伝わらないため、リニアモータを取り付けた機器のガイドの寿命が延び、磁気吸引力による機器の変形を防止できる。

図３の磁気吸引力相殺型においても、実施例２と同様の固定子構造であるため、実施例２と同様の効果を得ることができる。勿論、実施例１と同様の構造とすることもできる。

上記において、固定子突極の形状と略同じ形状の突極が、前記固定子の前記可動子に対向する面と反対側の裏面にも配置されるものとして説明した。ここで略同じ形状というのは、理想的には、両者が全く同じ形状であることが好ましいが、実際には、両者が全く同じ形状でなくても、ある程度同じ形状であれば、電磁鋼板の接着硬化時に温度を上げたときに熱応力が両面でほぼ均一にかかり、固定子の反りが無くなるという効果を同様に奏する。すなわち、固定子突極の形状と裏面の突極の形状とは、実質的に同一と考えられる範囲であればよい。例えば、固定子突極の形状の各部の寸法の一部と、裏面の突極の形状の各部の寸法の一部とが相互に異なっていても、突極全体としてみたときに、両者がほぼ同一の形状、すなわち実質的に同一の形状であればよい。また、熱応力の均一化の効果の必要度に応じ、両者の形状に相違を設けてもよい。例えば、図１等では、固定子突極の矩形形状と同じ矩形形状の突極を裏面に配置するものとしたが、熱応力の効果の必要度に応じ、裏面の突極の形状として矩形形状から適宜変形したものを用いることができる。

本発明に係るリニアモータの固定子の適用は、ここで開示した原理のリニアモータに限定されるものではなく、固定子突極を有し、電磁鋼板を積層して構成された固定子であれば、リニアモータの原理が違っていても、同様の効果を得ることができる。

本発明に係るリニアモータの実施例１を示す図である。本発明に係るリニアモータの実施例２を示す図である。本発明を磁気吸引力相殺型リニアモータに適用した場合を示す図である。従来のリニアモータの固定子を示す図である。リニアモータの交流巻線を示す図である。従来のリニアモータの固定子を示す図である。従来のリニアモータの固定子における変形の様子を示す図である。

符号の説明

１０，１０ａ，３６ａ固定子突極、１０ｂ，３６ｂ突極、１１可動子、１２，３０，３５固定子、１３，１４，１５ティース、１６，１７，１８交流巻線、１９永久磁石、２２磁束、３７固定子補助ヨーク。

Claims

可動子の移動方向に沿って所定の間隔を設けて配置され、表面にピッチＰの間隔で複数の固定子突極を備えたリニアモータの固定子において、
前記固定子突極の形状と同じ形状の突極が、前記固定子の前記可動子に対向する面と反対側の裏面にも配置されており、該裏面に配置された前記突極の凹部には、該凹部を埋めるように凸部を有する固定子補助ヨークが嵌合されていることを特徴とするリニアモータの固定子。
前記固定子は、電磁鋼板を積層して構成され、積層された前記電磁鋼板は、それぞれ接着されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの固定子。