JP3944766B2 - 永久磁石形同期リニアモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＡ機器の搬送システム、例えば工作機械のテーブル送りや半導体製造装置のステッパ駆動機構などに利用される永久磁石形同期リニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＦＡ機器の搬送システム、例えば工作機械のテーブル送りや半導体製造装置のステッパ駆動機構などに利用される永久磁石形同期リニアモータとしては、図４のようになっている。図４は従来の永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。このリニアモータにおいては、８ポール９スロットを基本構成とし、電機子２を相対移動する可動子に、界磁１を固定子とした例を用いて説明する。
図において、１は界磁、１１は平板状の界磁ヨーク、１２は界磁ヨーク１１に交互に異極となるように複数個取付けた永久磁石、２は永久磁石１２と磁気的空隙を介して対向する電機子、２１は電機子コアであって、電磁鋼板を櫛歯状に打ち抜き、スロット２１ａを形成する主ティース２１ｂと、主ティース２１ｂを連結する継鉄部２４とを有する鋼板を積層固定したものである。２２はスロット２１ａに巻回収納した電機子巻線である。２３は電機子コア２１の両端に設けた補助ティースであって、電機子コア両端の端効果により発生するコギング推力を低減する手段を施したものである。
【０００３】
また、図５は従来の永久磁石形同期リニアモータのコギング推力波形を示した図である。図５に示すコギング推力波形のように、主ティース２１ｂに働くコギング推力Ｆ１と、補助ティース２１ａに働くコギング推力Ｆ２とがＦ１＋Ｆ２≒０となる条件に基づいて、主ティース２１ｂの長さＨｔと補助ティース２３の長さＨｄが０＜Ｈｄ＜Ｈｔの範囲で設定するとともに、併せて補助ティース２１ａのティース幅Ｂｄと主ティース２１ｂのティース幅ＢｔがＢｄ＜Ｂｔの範囲で設定されている。上記の条件により、当該リニアモータはコギング推力を最小とすることができるようになっている（例えば、特願２０００−１１８０２２）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術ではコギング推力低減のため、電機子コア端部の端効果をキャンセルする、あるいは端効果の影響を抑制するなどの手段を施しているが、実機においては、必ずしもコギング推力を低減させることができないという課題がある。
すなわち、リニアモータの設計の際には主ティースの形状寸法、界磁と電機子との間の磁気的空隙長などの設計値、界磁に使用する永久磁石の磁気特性の代表値を用いてコギング推力が最小となる条件を求め、補助ティースの形状寸法を決定している。ところが、実際に製作したリニアモータは、電機子コアの打ち抜き時の寸法ばらつきや誤差、界磁と電機子を組み合わせる際の磁気的空隙寸法の誤差、永久磁石を界磁ヨークに固定し組み立てる際の寸法ばらつきや誤差、電機子コアや界磁ヨーク、永久磁石などの磁性部材の磁気特性のばらつきや代表値との差違などにより、コギング推力がほぼゼロとなる寸法条件がずれ、コギング推力が大きくなってしまう。
このため、コギング推力が小さいリニアモータを設計値に近づけるよう製作するには、実機の形状寸法実測とコギング推力の評価を基にした設計と製作の繰り返しにより軽減されるが、実際には、構成部材の組み立て時の寸法ばらつきや誤差、磁性部材の磁気特性のばらつきや代表値との差違はその都度ごとに異なるため、容易に解決することはできない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、リニアモータのコギング推力を評価する場合の設計と製作による繰り返し評価作業に依存することなく、実機の形状寸法や磁性部材の実磁気特性が設計値からずれても容易にコギング推力を小さくすることができる永久磁石形同期リニアモータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために，請求項１の本発明は、第1の界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように複数の永久磁石を直線状に並べてなる第1の界磁と、前記第1の界磁と磁気的空隙を介して対向するように配置した第1の電機子とを備え、前記第1の電機子は、主ティースとスロットを有する第1の電機子コアと、前記第1の電機子コアのスロットにコイルを巻回した第1の電機子巻線とより構成され、前記第1の界磁と前記第1の電機子の何れか一方を相対移動する可動子に、他方を固定子とする永久磁石形同期リニアモータにおいて、前記第１の電機子は、前記第１の界磁と対向する側を除く位置に，相対移動する前記可動子に伴って変化するコギング推力を相殺できるよう、当該コギング推力と同一周期の振動力を発生する振動力発生手段を備えたものである。
また、請求項２の本発明は、請求項１に記載の永久磁石形同期リニアモータにおいて、前記振動力発生手段は、前記第１の電機子における第１の界磁との対向面を除く面に設けられた第２の界磁ヨーク上に交互に極性が異なる複数の永久磁石を並べてなる第２の界磁と，前記第２の界磁と磁気的空隙を介して対向配置した第２の電機子とから構成され，前記第２の電機子は，スロットレス形の第２の電機子コアと，前記第２の電機子コアに空心コイルを巻回した第２の電機子巻線とから構成してあり，前記第１の界磁の磁極ピッチをτｍ１，前記第２の界磁の磁極ピッチをτｍ２としたとき，τｍ２＝τｍ１×１／２の関係を有したものである。
また、請求項３の本発明は、請求項１に記載の永久磁石形同期リニアモータにおいて、前記振動力発生手段は、前記第１の電機子における第１の界磁との対向面を除く面に設けられたスロットを有する櫛状コアと，前記櫛状コアと磁気的空隙を介して対向配置した第２の電機子とから構成され，前記第２の電機子は，スロットレス形の第２の電機子コアと，前記第２の電機子コアに空心コイルを巻回した第２の電機子巻線とから構成してあり，前記主ティースのティースピッチをτｓ１，前記櫛状コアが有する前記ティースのティースピッチをτｓ２としたとき，τｓ１＝τｓ２の関係を有しており，前記第１の界磁の磁極ピッチをτｍ１，前記第２の電機子巻線の磁極ピッチをτｍ２としたとき，τｍ２＝τｍ１×１／２の関係を有したものである。
また、請求項４の本発明は、請求項１に記載の永久磁石形同期リニアモータにおいて、前記第1の電機子コアの端部に補助ティースを配置してあり、前記補助ティースの前記第１の界磁の長手方向と直交する方向の長さをＨｄ、前記主ティースの前記第１の界磁の長手方向と直交する方向の長さをＨｔとした時に、前記補助ティースの長さが０＜Ｈｄ＜Ｈｔの範囲に設定されたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
［第１の実施例］
図１は本発明の永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。
本発明の構成要素が従来技術と同じもの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。なお、第１の実施例から第３の実施例にかかるリニアモータは、従来技術と同様に８ポール、９スロットのギャップ対向形の例を示している。また、主ティースの長さＨｔと補助ティースの長さＨｄの範囲の設定、主ティースのティース幅Ｂｔと補助ティースのティース幅の範囲の設定についても従来技術と同じである。
図において、３は振動力発生手段、３１は第２の界磁、３１ａは第２の界磁ヨーク，３１ｂは永久磁石，３２は第２の電機子，３２ａは第２の電機子コア，３２ｂは第２の電機子巻線である。
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、第１の電機子２は、第１の界磁１と対向する側を除く位置（反対側）に，第１の界磁１（固定子）に対して相対移動する第１の電機子２（可動子）に伴って変化するコギング推力を相殺できるよう、当該コギング推力と同一周期の振動力を発生する振動力発生手段３を備えた点であり、この振動力発生手段３は，直流電流で励磁することにより電磁的に振動力を発生させるものである。
本実施例に係る振動力発生手段３は、具体的には、前記第１の電機子２における第１の界磁１との対向面を除く面（反対側）に設けられた第２の界磁ヨーク３１ａ上に交互に極性が異なる複数の永久磁石３１ｂを並べてなる第２の界磁３１と，第２の界磁３１と磁気的空隙を介して対向配置した第２の電機子３２とから構成される。この第２の電機子３２は，スロットレス形の第２の電機子コア３２ａと，第２の電機子コア３２ａに空心コイルを巻回した第２の電機子巻線３２ｂとから構成してあり，第１の界磁１の磁極ピッチをτｍ１，第２の界磁３１の磁極ピッチをτｍ２としたとき，τｍ２＝τｍ１×１／２の関係を有したものとなっている。なお，便宜状，第２の電機子巻線の磁極ピッチは図示していない。
【０００７】
次に動作を説明する。
リニアモータを第１の界磁１の長手方向に移動させると、相対移動する第１の電機子２の移動に伴ってコギング推力が変化するが、第１の電機子２における第１の界磁１との対向面を除く面（反対側）に設けた振動力発生手段３に僅かな直流電流を供給すると、振動力発生手段３は当該コギング推力と同一周期の振動力を発生し，、リニアモータ全体のコギング推力を低減される。また、この時、振動力発生手段３は、第１の電機子２における第１の界磁１側には設置されていないため、振動力発生手段３の作用はリニアモータとしての実行推力に影響しない。
【０００８】
第１の実施例は上記の構成にしたので、コギング推力が設計値よりも大きくなった場合でも、第１の界磁１と第１の電機子２との間に発生するコギング推力の大きさに合わせた直流電流を、振動力発生手段３の操作により第２の電機子２に通電することで，コギング推力を設計値である最小値に戻すことができる。
このため，リニアモータのコギング推力を評価する場合の設計と製作による繰り返し評価作業が不要になり、実機の形状寸法や磁性部材の実磁気特性が設計値からずれても容易にコギング推力を小さくすることが可能な永久磁石形同期リニアモータを提供することができる。
また、振動力発生手段３の界磁発生源が永久磁石１２であることから、第２の界磁発生用の励磁電流を必要としないため，振動力発生手段３の付加にともなう電力損失の増大や温度上昇を更に抑えることができる。
また、本例のように補助ティース２３を設けた構成は、補助ティースを設けてないものに比較してコギング推力が小さいので，振動力発生手段３に供給する電力が少なくて済み，振動力発生手段３の付加にともなう電力損失の増大や温度上昇を抑えることができる。
【０００９】
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図２は本発明の第２の実施例を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。
図において，３３は櫛状コアである。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、振動力発生手段３は、第１の電機子２における第１の界磁１との対向面を除く面（反対側）に設けられたスロットを有する櫛状コア３３と，櫛状コア３３と磁気的空隙を介して対向配置した第２の電機子３２とから構成され，第２の電機子３２は，スロットレス形の第２の電機子コア３２ａと，第２の電機子コア３２ａに空心コイルを巻回した第２の電機子巻線３２ｂとから構成してあり，主ティース２１ｂのティースピッチをτｓ１，櫛状コア３３が有するティースのティースピッチをτｓ２としたとき，τｓ１＝τｓ２の関係を有したものとなっている。また、図示していないが、第１の界磁１の磁極ピッチをτｍ１，第２の電機子巻線３２ｂの磁極ピッチをτｍ２としたときに，τｍ２＝τｍ１×１／２の関係を有したものとなっている。なお、動作については、第１の実施例と同じであるため、その説明は省略する。
【００１０】
第２の実施例は上記の構成にしたので，コギング推力が設計値よりも大きくなった場合でも、第１の界磁１と第１の電機子２との間に発生するコギング推力の大きさに合わせた直流電流を、振動力発生手段３の操作により第２の電機子３２に通電することにより，コギング推力を設計値である最小値に戻すことができる。
このため，リニアモータのコギング推力を評価する場合の設計と製作による繰り返し評価作業が不要になり、実機の形状寸法や磁性部材の実磁気特性が設計値からずれても容易にコギング推力を小さくすることが可能な永久磁石形同期リニアモータを提供することができる。
更に，振動力発生手段３に永久磁石を使用しないため，振動力発生手段３の付加にともなうコスト増大と，永久磁石の取り付けに代表される組み立て工数の増加を抑えることができる。
【００１１】
［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
リニアモータとしての推力発生面である第１の電機子における第１の界磁との反対側に振動力発生手段３を設置した例を第１および第２の実施例で説明したが，このほかの当該振動力発生手段３の設置例として、例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すものがある。
図３は本発明の第３の実施例を示す永久磁石形同期リニアモータの進行方向から見た正面図で、（ａ）は電機子と界磁が片側の面で対向するギャップ対向形リニアモータ、（ｂ）は電機子と界磁が各々の両側の面で対向する磁束貫通形のリニアモータに適用した例である。図３（ａ）、（ｂ）に示したように振動力発生手段３を第１の界磁１と第１の電機子２の対向部位，および可動子のテーブル取り付け面５を避けた位置に設置するようにすると良い。
第３の実施例は上記構成にしたので、振動力発生手段３を用途に応じて自在に可動子のテーブルに取り付けることができ、設計の自由度を増すことができる。
【００１２】
なお，本実施例における振動力発生手段に用いる第２の電機子巻線は，全要素コイルを直列接続した単相コイルとしても良いし、第１の電機子巻線と同数の相に分かれた巻線としても良い。この場合，電機子巻線に流す直流電流の相ごとの大きさを調整することによって，発生する電磁振動力のピーク位置が変化するので、コギング推力に合わせて振動力の位相を電気的に調整することが容易となる。
また、本実施例では、第１の界磁および第２の電機子を固定子，その他を可動子として構成したが，その逆や，第１の界磁、第２の電機子の入れ替えなどは自由に選択される。
また、本実施例では、スロット形状をオープンスロットとした場合で説明したが，例えばセミオープンスロットとしても構わない。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の実施例によれば、以下の効果がある。
（１）第１の実施例は上記構成にしたため、コギング推力が設計値よりも大きくなった場合でも、第１の界磁と第１の電機子との間に発生するコギング推力の大きさに合わせた直流電流を、振動力発生手段の操作により第２の電機子に通電することで，コギング推力を設計値である最小値に戻すことができる。
このため，リニアモータのコギング推力を評価する場合の設計と製作による繰り返し評価作業が不要になり、実機の形状寸法や磁性部材の実磁気特性が設計値からずれても容易にコギング推力を小さくすることが可能な永久磁石形同期リニアモータを提供することができる。
また、振動力発生手段の界磁発生源が永久磁石であることから、第２の界磁発生用の励磁電流を必要としないため，振動力発生手段の付加にともなう電力損失の増大や温度上昇を更に抑えることができる。
また、本例のように補助ティースを設けた構成は、補助ティースを設けてないものに比較してコギング推力が小さいので，振動力発生手段３に供給する電力が少なくて済み，振動力発生手段の付加にともなう電力損失の増大や温度上昇を抑えることができる。
【００１４】
（２）第２の実施例は上記構成にしたため、コギング推力が設計値よりも大きくなった場合でも、第１の界磁と第１の電機子との間に発生するコギング推力の大きさに合わせた直流電流を、振動力発生手段の操作により第２の電機子に通電することにより，コギング推力を設計値である最小値に戻すことができる。
このため，リニアモータのコギング推力を評価する場合の設計と製作による繰り返し評価作業が不要になり、実機の形状寸法や磁性部材の実磁気特性が設計値からずれても容易にコギング推力を小さくすることが可能な永久磁石形同期リニアモータを提供することができる。
更に，振動力発生手段に永久磁石を使用しないため，振動力発生手段の付加にともなうコスト増大と，永久磁石の取り付けに代表される組み立て工数の増加を抑えることができる。
【００１５】
（３）第３の実施例は上記構成にしたので、振動力発生手段を用途に応じて自在に可動子のテーブルに取り付けることができ、設計の自由度を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。
【図３】本発明の第１から第４実施形態で望ましい構造を持つ永久磁石形同期リニアモータの進行方向から見た正面図である。
【図４】従来の永久磁石形同期リニアモータの側断面図である。
【図５】従来の永久磁石形同期リニアモータのコギング推力波形を示した図である。
【符号の説明】
１ 第１の界磁
１１ 第１の界磁ヨーク
１２ 永久磁石
２ 第１の電機子
２１ 第１の電機子コア
２１ａ スロット
２１ｂ 主ティース
２２ 第１の電機子巻線
２３ 補助ティース
３ 振動力発生手段
３１ 第２の界磁
３１ａ 第２の界磁ヨーク
３１ｂ 永久磁石
３２ 第２の電機子
３２ａ 第２の電機子コア
３２ｂ 第２の電機子巻線
３３ 櫛状コア

Claims (4)

1. 第1の界磁ヨーク上に交互に極性が異なるように複数の永久磁石を直線状に並べてなる第1の界磁と、前記第1の界磁と磁気的空隙を介して対向するように配置した第1の電機子とを備え、
   前記第1の電機子は、主ティースとスロットを有する第1の電機子コアと、前記第1の電機子コアのスロットにコイルを巻回した第1の電機子巻線とより構成され、
   前記第1の界磁と前記第1の電機子の何れか一方を相対移動する可動子に、他方を固定子とする永久磁石形同期リニアモータにおいて、
   前記第１の電機子は、前記第１の界磁と対向する側を除く位置に，相対移動する前記可動子に伴って変化するコギング推力を相殺できるよう、当該コギング推力と同一周期の振動力を発生する振動力発生手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期リニアモータ。
2. 前記振動力発生手段は、前記第１の電機子における第１の界磁との対向面を除く面に設けられた第２の界磁ヨーク上に交互に極性が異なる複数の永久磁石を並べてなる第２の界磁と，前記第２の界磁と磁気的空隙を介して対向配置した第２の電機子とから構成され，
   前記第２の電機子は，スロットレス形の第２の電機子コアと，前記第２の電機子コアに空心コイルを巻回した第２の電機子巻線とから構成してあり，
   前記第１の界磁の磁極ピッチをτｍ１，前記第２の界磁の磁極ピッチをτｍ２としたとき，τｍ２＝τｍ１×１／２の関係を有した請求項１に記載の永久磁石形同期リニアモータ。
3. 前記振動力発生手段は、前記第１の電機子における第１の界磁との対向面を除く面に設けられたスロットを有する櫛状コアと，前記櫛状コアと磁気的空隙を介して対向配置した第２の電機子とから構成され，
   前記第２の電機子は，スロットレス形の第２の電機子コアと，前記第２の電機子コアに空心コイルを巻回した第２の電機子巻線とから構成してあり，
   前記主ティースのティースピッチをτｓ１，前記櫛状コアのティースピッチをτｓ２としたとき，τｓ１＝τｓ２の関係を有しており，
   前記第１の界磁の磁極ピッチをτｍ１，前記第２の電機子巻線の磁極ピッチをτｍ２としたとき，τｍ２＝τｍ１×１／２の関係を有した請求項１に記載の永久磁石形同期リニアモータ。
4. 前記第1の電機子コアの端部に補助ティースを配置してあり、
   前記補助ティースの前記第1の界磁の長手方向と直交する方向の長さをＨｄ、前記主ティースの前記第1の界磁の長手方向と直交する方向の長さをＨｔとした時に、前記補助ティースの長さが０＜Ｈｄ＜Ｈｔの範囲に設定されてある請求項１に記載の永久磁石形同期リニアモータ。

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