TWI514725B - 線性馬達及其適用之馬達組 - Google Patents

Description

線性馬達及其適用之馬達組

本案係關於一種線性馬達，尤指一種具有獨立封閉磁場且可以複數組合應用之線性馬達及其適用之馬達組。

於工業製造或自動控制等領域中，要達到直線運動的位置控制，傳統上大多使用伺服馬達加上滾珠螺桿的驅動方式。有鑑於主要應用領域，如半導體、電子、光電、醫療設備及自動化控制等工業的快速發展及激烈競爭，各領域對於馬達線性運動性能的要求也日漸升高，期望馬達具有高速度、低噪音及高定位精度等，故於許多應用場合下皆已使用線性馬達來取代傳統伺服馬達等機械式的運動方式。

一般而言，使用傳統軸式線性馬達之馬達組，雖可使複數個線性馬達達到獨立作動，然因其機構上的特性，要同時達到微小化、大推力及馬達磁場間彼此獨立是相當困難的問題，且傳統軸式線性馬達尚需與線性滑軌及位置感測器相互整合，易因整合不佳或整合上之考量產生額外的空間需求。

請參閱第1A圖，其係為傳統軸式線性馬達之示意圖。如第1A圖所示，傳統軸式線性馬達1係具有殼體10及軸部11，馬達所用之線圈繞組則係環繞軸部11而設置於殼體10之內部。由於該線圈繞組 係為圓形，故當傳統軸式線性馬達1的高度或寬度受到空間限制時，若欲增加馬達的出力勢必要增加馬達的總長度。然而，當傳統軸式線性馬達1的細長比過大時，將造成機構剛性不佳及加工困難等問題，甚至衍生出製造時的繞線及灌膠等製程問題。

請參閱第1B圖，其係為使用傳統軸式線性馬達之馬達組之示意圖。如第1B圖所示，馬達組100係使用複數個傳統軸式線性馬達1組成，除前述之缺點外，由於馬達組中各個傳統軸式線性馬達1之磁場係彼此開放地存在，因此極易造成傳統軸式線性馬達1磁場間的干擾問題，同時因馬達殼體彼此緊密相連，殼體表面溫度易使馬達組相連接之位置感測元件受高熱失效等情形發生。

因此，實有必要發展一種具有獨立封閉磁場之線性馬達及其適用之馬達組，以改善前文提及之各項缺點及問題，進而增進其產業上之實用性。

本案之主要目的為提供一種線性馬達及其適用之馬達組，俾解決傳統軸式線性馬達易因整合不佳產生額外空間需求，於規格受到空間限制時無法有效增加出力，以及欲增加出力時造成馬達細長比過大，導致機構剛性不佳且加工困難，以及使繞線及灌膠之製程難度提高等問題。此外，更可進一步解決磁場開放之多個傳統軸式線性馬達之間的磁路干擾以及線圈熱傳至殼體表面造成位置感測元件失效等問題。

本案之另一目的為提供一種線性馬達及其適用之馬達組，藉由線圈繞組之造型及位置設計，以及第一導磁背板將磁路閉鎖為獨立 封閉磁場，可有效解決線性馬達之間的磁路干擾問題。此外，馬達磁石及第一導磁背板的相互配合，同時避免受到空間限制並達到無須增加細長比即可大幅提升馬達出力之功效，進而使機構剛性最佳化並簡化製程及加工難度。

本案之另一目的為提供一種線性馬達及其適用之馬達組，透過線性馬達殼體之第一本體及第二本體間以連接部連接之機構特性，可有效減少熱傳至感測元件並增加散熱面徑。

為達上述目的，本案之一較廣實施態樣為提供一種線性馬達，包括：一殼體，沿一第一方向設置；一定子結構，包括至少二個第一磁石，其中該至少二個第一磁石係分別對應設置於二個第一導磁背板，且第一導磁背板對應設置於二個第二導磁背板之間；以及一動子結構，包括一線圈繞組，具有一外露部分，其中該外露部分係沿一第二方向延伸且設置於該二個第一導磁背板之間，並至少部分地於一第三方向上與該至少二個第一磁石重疊，俾使該線圈繞組受磁力帶動該動子結構及該殼體沿該第一方向往復運動。

根據本案之構想，該第一方向、該第二方向及該第三方向係相互垂直，且該第一方向、該第二方向及該第三方向之任二者係彼此垂直。

於一些實施例中，每一該第一導磁背板係為一第二磁石；於另一些實施例中，每一該第二磁石係與至少一個該第一磁石一體成型整合為一第三磁石。

於一些實施例中，該殼體係包括一第一本體、一第二本體及至少 一連接部，且該連接部係與該第一本體及該第二本體相連接。該動子結構之該外露部分係沿該第二方向自該第一本體延伸而出。

為達上述目的，本案之另一較廣實施態樣為提供一種馬達組，包括：複數個第一導磁背板；複數個線性馬達，每一該線性馬達係部分地設置於二個相鄰之該第一導磁背板之間且包括：一殼體，沿一第一方向設置；一定子結構，包括至少二個第一磁石，其中該至少二個第一磁石係分別對應設置於該二個相鄰之第一導磁背板，且第一導磁背板對應設置於二個第二導磁背板之間；以及一動子結構，包括一線圈繞組，具有一外露部分，其中該外露部分係沿一第二方向自該殼體延伸且設置於該二個相鄰之第一導磁背板之間，並至少部分地於一第三方向上與該至少二個第一磁石重疊，俾使該線圈繞組受磁力帶動該動子結構及該殼體沿該第一方向往復運動；以及二個第二導磁背板，設置於該複數個第一導磁背板之相對兩側，並分別與設置於該相對兩側之二個該第一導磁背板相連接。

根據本案之構想，每一該第一導磁背板係為一第二磁石。於一些變化實施態樣中，每一該第二磁石係與相鄰之二個該線性馬達之該定子結構之該第一磁石一體成型整合為一第三磁石。

根據本發明之創作思想，該殼體係包括一第一本體、一第二本體及至少一連接部，且該連接部係與該第一本體及該第二本體相連接。該動子結構之該外露部分係沿該第二方向自該第一本體延伸而出。

根據本發明之創作思想，每一該第一導磁背板係以導磁材料製成 或為一永久磁石；每一該第二導磁背板係以導磁材料製成。該第一導磁背板及第二導磁背板的材料選擇與第一磁石、第二磁石及第三磁石的相互整合，用以提升馬達在有限空間中的推力大小。

於一些實施例中，本案之馬達組包括一運動導引裝置，設置於該殼體之該第二本體上，用以進行運動導引。該運動導引裝置係包括：一本體，具有至少一滑軌；至少一滑塊，與該本體及該殼體之該第二本體相連接，用以承載該本體；更包括一線性位置感測裝置，用以進行位置感測。該線性位置感測裝置係包括：一感測元件設置於一固定機構上；一線性尺，設置於第二本體上，其中該感測元件係藉由該感測元件與該線性尺間之相對運動進行位置感測。

100‧‧‧馬達組

1‧‧‧傳統軸式線性馬達

10‧‧‧殼體

11‧‧‧軸部

200‧‧‧馬達組

2‧‧‧線性馬達

20‧‧‧殼體

201‧‧‧第一本體

202‧‧‧第二本體

203‧‧‧連接部

21‧‧‧定子結構

211‧‧‧第一磁石

22‧‧‧動子結構

221‧‧‧線圈繞組

2210‧‧‧外露部分

4‧‧‧第一導磁背板

5‧‧‧第二導磁背板

6‧‧‧第三磁石

7‧‧‧運動導引裝置

70‧‧‧本體

701‧‧‧滑軌

71‧‧‧滑塊

8‧‧‧線性位置感測裝置

81‧‧‧感測元件

82‧‧‧線性尺

d1‧‧‧第一方向

d2‧‧‧第二方向

d3‧‧‧第三方向

第1A圖係為傳統軸式線性馬達之示意圖。

第1B圖係為使用傳統線性馬達之馬達組之示意圖。

第2圖係為本案較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之結構示意圖。

第3圖係為本案一較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之側面視圖。

第4圖係為本案另一較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之側面視圖。

第5圖係為本案又一較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之側面視圖。

第6圖係為本案較佳實施例之馬達組及其運動導引裝置與線性位置感測裝置之結構示意圖。

第7圖係為第6圖所示之馬達組及其運動導引裝置與線性位置感測裝置之局部前視圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

請參閱第2圖及第3圖，其中第2圖係為本案較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之結構示意圖，以及第3圖係為本案一較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之側面視圖。如第2圖及第3圖所示，本案之線性馬達2係包括殼體20、定子結構21及動子結構22。其中，殼體20係沿第一方向d1設置。定子結構21包括至少二個第一磁石211，二個第一磁石211係分別對應設置於二個第一導磁背板4。動子結構22係包括線圈繞組221，其中線圈繞組221係具有外露部分2210，且外露部分2210係沿第二方向d2自殼體20延伸且設置於該二個第一導磁背板4之間，並至少部分地於第三方向d3上與該至少二個第一磁石211重疊，俾使線圈繞組221受磁力帶動動子結構22及殼體20沿第一方向d1往復運動。其中，第一方向d1、第二方向d2及第三方向d3係相互垂直，且第一方向d1、第二方向d2及第三方向d3之任二者係彼此垂直。換言之，第一方向d1、第二方向d2及第三方向d3於立體空間或立體座標系中係為三個相互垂直之軸向方向。

於一些實施例中，本案之馬達組200係包括複數個線性馬達2、複數個第一導磁背板4以及二個第二導磁背板5。其中，每一個線性馬達2係部分地設置於二個相鄰之第一導磁背板4之間，亦即每二個第一導磁背板4之間即設有一個線性馬達2，故線性馬達2之總數量係等同於第一導磁背板4之總數量減去一。每一個線性馬達2皆如前述包括殼體20、定子結構21及動子結構22，且殼體20、定子結構21及動子結構22係與前述之實施例相仿，除定子結構之至少二個第一磁石係分別對應設置於該二個相鄰之第一導磁背板4，且動子結構22之線圈繞組221之外露部分2210係沿第二方向d2自殼體20延伸而出且至少部分地設置該二個相鄰之第一導磁背板4之間外，其餘相同之處不再贅述。此外，二個第二導磁背板5係設置於複數個第一導磁背板4之相對兩側，並分別與設置於該相對兩側之二個該第一導磁背板4相連接，用以輔助定位第一導磁背板4。有鑑於此，本案之線性馬達2及其適用之馬達組200藉由線圈繞組221之造型及位置設計，以及第一導磁背板4將磁路閉鎖為獨立封閉磁場，可有效解決線性馬達2之間的磁路干擾問題，同時避免受到空間限制並達到無須增加細長比即可大幅提升馬達出力之功效，進而使機構剛性最佳化並簡化製程及加工難度。

根據本案之構想，第一導磁背板4及第二導磁背板5，可為全部或一部以導磁材料製成，例如L型導磁材料或倒T型導磁材料，為使圖式簡單易懂，於第3圖中特將部分之第一導磁背板4及第二導磁背板5以不同材質示出，然於各種實施態樣中實不以此為限。

請參閱第4圖，其係為本案另一較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之側面視圖。如第4圖所示，本案之第一導磁背板4係可 直接為第二磁石，且每一第一導磁背板4係可全部或一部為第二磁石，亦即每一第一導磁背板4除作為第一磁石211設置之元件及定子結構21之支撐元件外，亦可同時用作永磁元件，以使線性馬達2或其適用之馬達組200可依磁路需求進行變換設計，用以提升馬達在有限空間中的推力大小。

請參閱第5圖並配合第4圖，其中第5圖係為本案又一較佳實施例之線性馬達及其適用之馬達組之側面視圖。如第4圖及第5圖所示，於一些實施例中，每一第二磁石，亦即第一導磁背板4，係與至少一個第一磁石211一體成型整合為第三磁石6，且以一個第二磁石與二個相鄰之第一磁石211一體成型整合為第三磁石6為較佳，該二個相鄰之第一磁石211係為相鄰之二個線性馬達2之定子結構21之第一磁石211，且以設置於同一第一導磁背板4之第一磁石211為較佳，但不以此為限。換句話說，本案之第一導磁背板4除作為第一磁石211設置之元件及定子結構21之支撐元件外，亦可單獨用作永磁元件或與第一磁石211整合為磁力相對較大之另一永磁元件，其皆屬本案之教示範圍。

請參閱第6圖及第7圖，其中第6圖係為本案較佳實施例之馬達組及其運動導引裝置與線性位置感測裝置之結構示意圖，以及第7圖係為第6圖所示之馬達組及其運動導引裝置與線性位置感測裝置之局部前視圖。如第6圖及第7圖所示，本案之馬達組200之線性馬達2之殼體20係包括第一本體201、第二本體202及至少一連接部203。其中，第一本體201係沿第一方向d1設置，動子結構22之外露部分2210係沿第二方向d2自第一本體201延伸而出，且連接部203係與第一本體201及第二本體202相連接。於本實施例中 ，連接部203之數量係以二個示出，然並不以此為限，且連接部203之數量可依機構強度或剛性需求、熱傳需求或散熱面徑等各種需求而為不同之設計，並以一個以上為佳。易言之，透過殼體20包括第一本體201及第二本體202，並以連接部203相連接，可將殼體20視為一鏤空設計，不僅可減輕整體重量，更可達到減少熱傳並增加散熱面徑之功效，以保護對熱較敏感之電子元件，例如設置於第二本體202上之電子元件(未圖示)。

根據本發明之構思，馬達組200係可更包括運動導引裝置7，設置於殼體20之第二本體202上。運動導引裝置7係包括本體70以及至少一滑塊71，其中本體70具有滑軌701，滑塊71係與本體70及殼體20之第二本體202相連接，用以承載本體70。此外，馬達組200係進一步包括線性位置感測裝置8，線性位置感測裝置8係包括感測元件81以及線性尺82。其中，感測元件81係設置於一固定機構上，線性尺82係設置於殼體20之第二本體202上。感測元件81係藉由感測元件81與線性尺82間之相對運動進行一線性位置感測，例如讀取光學尺或磁性尺等，但皆不以此為限。由於本發明之線性馬達2之殼體20係採用前述之特殊設計，故可與運動導引裝置7及線性位置感測裝置8有效整合，而進一步使空間最佳化。

綜上所述，本案提供一種線性馬達及其適用之馬達組。藉由線圈繞組之造型及位置設計，以及第一導磁背板將磁路閉鎖為獨立封閉磁場，可有效解決線性馬達之間的磁路干擾問題，同時避免受到空間限制並達到無須增加細長比即可大幅提升馬達出力之功效，進而使機構剛性最佳化並簡化製程及加工難度。此外，透過線性馬達殼體之第一本體及第二本體間以連接部連接之機構特性， 不僅可與感測裝置整合而使空間最佳化，更可有效減少熱傳並增加散熱面徑。

縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

200‧‧‧馬達組

2‧‧‧線性馬達

20‧‧‧殼體

211‧‧‧第一磁石

22‧‧‧動子結構

221‧‧‧線圈繞組

2210‧‧‧外露部分

4‧‧‧第一導磁背板

5‧‧‧第二導磁背板

d1‧‧‧第一方向

d2‧‧‧第二方向

d3‧‧‧第三方向

Claims (12)

1. 一種線性馬達，包括：一殼體，沿一第一方向設置；一定子結構，包括至少二個第一磁石，其中該至少二個第一磁石係分別對應設置於二個第一導磁背板之間，其中每一該第一導磁背板係為一第二磁石；以及一動子結構，包括一線圈繞組，具有一外露部分，其中該外露部分係沿一第二方向延伸且設置於該二個第一導磁背板之間，並至少部分地於一第三方向上與該至少二個第一磁石重疊，俾使該線圈繞組受磁力帶動該動子結構及該殼體沿該第一方向往復運動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之線性馬達，其中該第一方向、該第二方向及該第三方向係相互垂直，且該第一方向、該第二方向及該第三方向之任二者係彼此垂直。
3. 如申請專利範圍第1項所述之線性馬達，其中該二個第一導磁背板係以導磁材料製成。
4. 如申請專利範圍第4項所述之線性馬達，其中每一該第二磁石係與至少一個該第一磁石一體成型整合為一第三磁石。
5. 如申請專利範圍第1項所述之線性馬達，其中該殼體係包括一第一本體、一第二本體及至少一連接部，且該連接部係與該第一本體及該第二本體相連接。
6. 如申請專利範圍第6項所述之線性馬達，其中該第一本體係沿該 第一方向設置，該動子結構之該線圈繞組之該外露部分係沿該第二方向自該第一本體延伸而出。
7. 一種馬達組，包括：複數個第一導磁背板，其中每一該第一導磁背板係為一第二磁石；複數個線性馬達，每一該線性馬達係部分地設置於二個相鄰之該第一導磁背板之間且包括：一殼體，沿一第一方向設置；一定子結構，包括至少二個第一磁石，其中該至少二個第一磁石係分別對應設置於該二個相鄰之第一導磁背板之間；以及一動子結構，包括一線圈繞組，具有一外露部分，其中該外露部分係沿一第二方向自該殼體延伸且至少部分地設置於該二個相鄰之第一導磁背板之間，並至少部分地於一第三方向上與該至少二個第一磁石重疊，俾使該線圈繞組受磁力帶動該動子結構及該殼體沿該第一方向往復運動；以及二個第二導磁背板，設置於該複數個第一導磁背板之相對兩側，並分別與設置於該相對兩側之二個該第一導磁背板相連接。
8. 如申請專利範圍第9項所述之馬達組，其中每一該第二磁石係與相鄰之二個該線性馬達之該定子結構之該第一磁石一體成型整合為一第三磁石。
9. 如申請專利範圍第8項所述之馬達組，其中該二個第二導磁背板係以導磁材料構成。
10. 如申請專利範圍第8項所述之馬達組，其中該殼體係包括一第一本體、一第二本體及至少一連接部，且該連接部係與該第一本體 及該第二本體相連接。
11. 如申請專利範圍第12項所述之馬達組，其中該第一本體係沿該第一方向設置，該動子結構之該線圈繞組係部分地設置於該第一本體內，且該外露部分係沿該第二方向自該第一本體延伸而出。
12. 如申請專利範圍第12項所述之馬達組，更包括：一運動導引裝置，設置於該殼體之該第二本體上，且包括：一本體，具有至少一滑軌；以及至少一滑塊，與該本體及該殼體之該第二本體相連接，用以承載該本體；以及一線性位置感測裝置，包括：一感測元件，設置於一固定機構上；以及一線性尺，設置於該殼體之該第二本體上；其中，該感測元件係藉由該感測元件與該線性尺間之相對運動進行線性位置感測。