JP5527426B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

開示の実施形態は、リニアモータに関する。

従来、例えば、半導体製造装置、液晶製造装置、電子部品実装機あるいは工作機械等のＦＡ機器のテーブル送りを高精度に行うために、リニアモータが用いられる。そのリニアモータの一例としては、特許文献１に記載のリニアモータが挙げられる。この特許文献１のリニアモータでは、ティースと電機子巻線を有する電機子と突極を有する突極子を備えた構成において、ティースの中央に永久磁石が内挿されて配置され、あるいは、ティース先端に永久磁石が配置される。

特表２００９−５０９４９０号公報

しかしながら、上記リニアモータは推力が不足するものであった。

実施形態の一態様は、推力を増大することができるリニアモータを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るリニアモータは、ティースを有する電機子コアと電機子巻線を備えた電機子と、突極を有する突極子を備える。前記電機子は前記突極子と対向するギャップ面に永久磁石が配置される。前記ティースのピッチをτ、前記永久磁石の磁極のピッチをλｐ、前記突極のピッチをλｔ、自然数をｋおよびｎとした場合、次式を満たす。
３ｋ／λｐ＋ｎ／τ＝６ｋ／λｔ

実施形態の一態様によれば、リニアモータの推力を増大することができるリニアモータを提供できる。

図１は、第１実施形態を示すリニアモータの断面図である。 図２は、第１実施形態を示す可動子の組立方法を示す断面図である。 図３は、第２実施形態を示すリニアモータの断面図である。 図４は、第３実施形態を示すリニアモータの断面図である。 図５は、第４実施形態を示すリニアモータの可動子の断面図である。 図６は、第５実施形態を示すリニアモータの可動子の断面図である。 図７は、第６実施形態を示す可動子の組立方法の説明図である。 図８は、第７実施形態を示すリニアモータの断面図である。 図９は、第８実施形態を示すリニアモータの断面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するリニアモータのいくつかの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示すこれらの実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、本発明における同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、第１実施形態に係るリニアモータの構成について説明する。図１は、第１実施形態に係るリニアモータの断面図である。

図１に示すように、リニアモータは、可動子１００と固定子２００とを備える。可動子１００と固定子２００とはギャップ（空隙）Ｇを介して互いに対向する。可動子１００は、固定子２００に対して紙面左右方向に相対的に移動できるように、固定子２００とギャップＧを介して図示しない直動軸受によって案内支持される。

可動子１００は、電機子１１０と、固定子２００と対向するギャップＧ側に配置された複数の永久磁石１２０とを備える。電機子１１０は、電機子コア１１１と、電機子巻線１１２と、モールド樹脂１１３とを備える。電機子コア１１１には、継鉄部（ヨーク）の長手方向と直交する方向に等間隔に櫛歯状のティース１１４が形成される。ティース１１４の間には電機子巻線１１２を収納するためのスロット１１５が形成される。ティース１１４には三相の電機子巻線１１２が集中巻きされる。そして、電機子コア１１１と電機子巻線１１２は全体をモールド樹脂１１３によって一体に固着される。電機子コア１１１は軟磁性材料であり、例えば積層珪素鋼板やＳＭＣコア（微細鉄粉を圧縮成形したコア）などが用いられる。

電機子１１０のギャップ面（ギャップＧ側の面）には、矢印方向（Ｎ極→Ｓ極）に磁化された複数の永久磁石１２０が互いに隣と異極になるように並べられて配置される。ここで、永久磁石１２０はティース１１４の先端だけでなく、複数のティース１１４の間に形成されたスロット１１５の開口部先端にも配置される。

固定子２００は、突極子２１０として構成される。突極子２１０はギャップ面（ギャップＧ側の面）に歯状の突極２１１が形成される。突極子２１０は軟磁性材料により形成される。軟磁性材料として、例えば積層珪素鋼板やＳＭＣコア、３％Ｓｉ鉄、または鉄製の構造材などが用いられる。

ここで、ティース１１４のピッチをτ、永久磁石１２０の磁極のピッチをλｐ、突極２１１のピッチをλｔ、自然数をｋとｎとした場合、３ｋ／λｐ＋ｎ／τ＝６ｋ／λｔを満たすように各ピッチが設定される。

第１実施形態のリニアモータでは、τ＝１０ｍｍ、λｐ＝７．５ｍｍ、λｔ＝９ｍｍ、ｋ＝３、ｎ＝８となっている。これら数値を上式に代入すると、左辺＝（３×３／７．５）＋（８／１０）＝２、右辺＝（６×３／９）＝２となり、上式を満たす。また、電機子巻線１１２は９個のティース１１４すべてに集中巻きされ、電機子１１０は９ティースあたり８極の巻線磁束を形成する。

このように構成されたリニアモータは、電機子１１０の巻線磁束が永久磁石１２０の磁束と重畳し、９ティースあたり１０極の進行磁界を形成する。その進行磁界と突極子２１０の１０個の突極２１１との間で推力を発生し、可動子１００は固定子２００に対して紙面左右方向に移動することとなる。

次に、図２を参照しつつ、第１実施形態に係るリニアモータの組立方法について説明する。図２は、第１実施形態に係る可動子の組立方法を示す断面図である。

図２に示すように、可動子１００の組立は、先に電機子１１０の組立を行い、次に電機子１１０に永久磁石１２０を取り付ける手順で行う。電機子１１０は、スロット１１５の開口部が大きく開いたティース１１４に、予め高密度に銅線を集中巻きした電機子巻線１１２を挿入した後、モールド樹脂１１３により電機子コア１１１と電機子巻線１１２を包含するように全体をモールドする。モールド後の電機子１１０のギャップ面は、ティース１１４の先端とスロット１１５の開口部先端に充填されたモールド樹脂１１３とによって、平坦に形成される。

その後、電機子１１０のギャップ面に複数の永久磁石１２０を接着して取り付ける。図２のように複数の永久磁石１２０を予め一体とした後に電機子１１０のギャップ面に取り付けても良いし、永久磁石１２０を１個ずつ電機子１１０のギャップ面に貼り付けても良い。電機子１１０の平坦なギャップ面に永久磁石１２０を接着するので、永久磁石１２０を強固に取り付けることができるとともに、精度良く配置させることができる。また、永久磁石１２０の取り付けは、複数の永久磁石１２０を予め一体にする際に用いた別部材（図示なし）を使って、ボルトなどで電機子１１０の一部と締結することによって行っても良い。

以上説明したように、本実施形態に係るリニアモータでは、高密度に集中巻きした電機子巻線１１２がスロット１１５内に収納されると共に、永久磁石１２０がティース１１４の先端だけでなくスロット１１５の開口部先端にも配置される。そのため、第１実施形態に係るリニアモータでは、電機子巻線１１２の巻数と永久磁石１２０によるギャップ磁束密度が増えるので、推力を増大することができる。さらには、先に組立を行った電機子１１０の平坦なギャップ面に永久磁石１２０を後から配置するだけで良いので、組立を格段に容易にすることができると共に、安価なリニアモータを提供できる。

＜第２実施形態＞
以上、第１実施形態に係るリニアモータについて説明した。次に、図３を参照しつつ、第２実施形態に係るリニアモータについて説明する。図３は、第２実施形態に係るリニアモータの断面図である。

この第２実施形態に係るリニアモータは、ティース１１４のピッチ、永久磁石１２０の磁極のピッチ、突極２１１のピッチが第１実施形態に係るリニアモータと異なり、他は同様に構成される。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

この第２実施形態に係るリニアモータは、ティース１１４のピッチをτ、永久磁石１２０の磁極のピッチをλｐ、突極２１１のピッチをλｔ、自然数をｋとｎとした場合、３ｋ／λｐ＋ｎ／τ＝６ｋ／λｔを満たすように各ピッチが設定される。第２実施形態のリニアモータでは、τ＝１０ｍｍ、λｐ＝６．６６７ｍｍ、λｔ＝８．５７１ｍｍ、ｋ＝２、ｎ＝５としている。これら数値を上式に代入すると、左辺＝（３×２／６．６６７）＋（５／１０）＝１．４、右辺＝（６×２／８．５７１）＝１．４となり、上式を満たす。また、電機子巻線１１２は、ティース１１４の１個置きに集中巻きされ、電機子１１０は６ティースあたり５極の巻線磁束が形成する。

このように構成されたリニアモータは、電機子１１０の巻線磁束が永久磁石１２０の磁束と重畳し、６ティースあたり７極の進行磁界を形成する。その７極の進行磁界と突極子２１０の７個の突極２１１との間で推力を発生し、可動子１００は固定子２００に対して紙面左右方向に移動することとなる。

以上説明したように、第２実施形態に係るリニアモータでは、第１実施形態と同様に、高密度に集中巻きした電機子巻線１１２がスロット１１５内に収納されるとともに、永久磁石１２０がティース１１４の先端だけでなくスロット１１５の開口部先端にも配置される。そのため、第２実施形態に係るリニアモータでは、電機子巻線１１２の巻数と永久磁石１２０によるギャップ磁束密度が増えるので、推力を増大することができる。また、組立方法についても第１実施形態と同様に行うので、組立を容易にすることができる。

＜第３実施形態＞
以上、第２実施形態に係るリニアモータについて説明した。次に、図４を参照しつつ、第３実施形態に係るリニアモータについて説明する。図４は、第３実施形態に係るリニアモータの断面図である。

この第３実施形態に係るリニアモータは、ティース１１４のピッチ、永久磁石１２０の磁極のピッチ、突極２１１のピッチが第１、２実施形態に係るリニアモータと異なり、他は同様に構成されている。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１、２実施形態と異なる点を中心に説明することとする。

この第３実施形態に係るリニアモータは、ティース１１４のピッチをτ、永久磁石１２０の磁極のピッチをλｐ、突極２１１のピッチをλｔ、自然数をｋとｎとした場合、３ｋ／λｐ＋ｎ／τ＝６ｋ／λｔを満たすように各ピッチが設定されている。第３実施形態のリニアモータでは、τ＝１０ｍｍ、λｐ＝１０ｍｍ、λｔ＝８．５７１ｍｍ、ｋ＝１、ｎ＝４としている。これら数値を上式に代入すると、左辺＝（３×１／１０）＋（４／１０）＝０．７、右辺＝（６×１／８．５７１）＝０．７となり、上式を満たす。また、電機子巻線１１２は６個のティース１１４すべてに集中巻きされ、電機子１１０は６ティースあたり８極の巻線磁束を形成する。

このように構成されたリニアモータは、電機子１１０の巻線磁束が永久磁石１２０の磁束と重畳し、６ティースあたり７極の進行磁界を形成する。その進行磁界と突極子２１０の７個の突極２１１との間で推力を発生し、可動子１００は固定子２００に対して紙面左右方向に移動することとなる。

以上説明したように、第３実施形態に係るリニアモータでは、第１、２実施形態と同様に、高密度に集中巻きした電機子巻線１１２がスロット１１５内に収納されるとともに、永久磁石１２０がティース１１４の先端だけでなくスロット１１５の開口部先端にも配置される。そのため、第３実施形態に係るリニアモータでは、電機子巻線１１２の巻数と永久磁石１２０によるギャップ磁束密度が増えるので、推力を増大することができる。また、組立方法についても第１、２実施形態と同様に行うので、組立を容易にすることができる。

＜第４実施形態＞
以上、第３実施形態に係るリニアモータについて説明した。次に、図５を参照しつつ、第４実施形態に係るリニアモータについて説明する。図５は、第４実施形態に係るリニアモータの可動子の断面図である。

この第４実施形態に係るリニアモータは、電機子コア１１１が第１実施形態に係るリニアモータと異なり、他は同様に構成されている。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。

この第４実施形態に係るリニアモータでは、ティース１１４ごとに分割された電機子分割コア１３１を使って電機子１１０が構成される。電機子１１０の組立は、電機子分割コア１３１単体のティース１１４に電機子巻線１１２を高密度に集中巻きした後、電機子巻線１１２が施された電機子分割コア１３１をすべて並べ、モールド樹脂１１３により全体をモールドする。その後、第１実施形態と同様に、永久磁石１２０を取り付ける。また、ティース１１４の先端は、第１実施形態とは異なり、スロット１１５の開口部先端を狭くするように鍔を設けている。

以上説明したように、第４実施形態に係るリニアモータでは、電機子分割コア１３１を使って電機子巻線１１２の巻数を増やしている。さらに、第４実施形態に係るリニアモータでは、ティース１１４の先端の鍔によってスロット１１５の開口部先端を狭くして、電機子巻線１１２に鎖交する磁束をかき集めるようにしている。よって、推力を増大することができる。

＜第５実施形態＞
以上、第４実施形態に係るリニアモータについて説明した。次に、図６を参照しつつ、第５実施形態に係るリニアモータについて説明する。図６は、第５実施形態に係るリニアモータの可動子の断面図である。

この第５実施形態に係るリニアモータは、永久磁石１２０の磁極が第１実施形態に係るリニアモータと異なり、他は同様に構成される。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。

この第５実施形態に係るリニアモータでは、永久磁石１２０として主磁極永久磁石１２１と副磁極永久磁石１２２の２種類の永久磁石が用いられる。主磁極永久磁石１２１は電機子１１０が突極２１１と対向するギャップ面に対して垂直方向に磁化されている。副磁極永久磁石１２２は主磁極永久磁石１２１の磁極の向きと直交する可動子１００の移動方向に磁化されている。主磁極永久磁石１２１と副磁極永久磁石１２２は交互に並べられ、いわゆるハルバッハ配列構造となっている。

以上説明したように、第５実施形態に係るリニアモータでは、永久磁石１２０として主磁極永久磁石１２１と副磁極永久磁石１２２を用いてハルバッハ配列構造としているので、永久磁石１２０によるギャップ磁束密度が高まり、推力をさらに増大することができる。

＜第６実施形態＞
以上、第５実施形態に係るリニアモータについて説明した。次に、図７を参照しつつ、第６実施形態に係るリニアモータについて説明する。図７は、第６実施形態に係る可動子の組立方法を示す断面図である。

この第６実施形態に係るリニアモータは、可動子１００の組立方法が第１実施形態に係るリニアモータと異なり、他は同様に構成されている。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。

この第６実施形態に係るリニアモータの可動子１００の組立は、ティース１１４の先端とスロット１１５の開口部先端に永久磁石１２０を取り付けた後、全体をモールド樹脂１１３によりモールドするという手順で行う。

以上説明したように、第６実施形態に係るリニアモータでは、電機子１１０と永久磁石１２０をモールド樹脂１１３により一体にモールドしているので、永久磁石１２０を強固に固定することができるとともに、組立を格段に容易にし、安価なリニアモータを提供できる。

＜第７実施形態＞
以上、第６実施形態に係るリニアモータについて説明した。次に、図８を参照しつつ、第７実施形態に係るリニアモータについて説明する。図８は、第７実施形態に係るリニアモータの断面図である。

この第７実施形態に係るリニアモータは、可動子１００を固定子２００’の左右両側に設けて構成されることが第１実施形態に係るリニアモータと異なり、他は同様に構成される。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。なお、ここでは、紙面上下方向を左右方向とする。

この第７実施形態に係るリニアモータでは、２つの可動子１００が左右対向して配置され、可動子１００同士が紙面奥行き方向で連結（図示なし）される。そして、可動子１００の間に、ギャップ面を左右に設けた突極子２１０’を有する固定子２００’が配置される（いわゆる磁束貫通型構造）。電機子１１０と永久磁石１２０の構成は第１実施形態と同じである。突極子２１０’は突極２１１を左右対称に配置して構成される。

以上説明したように、第７実施形態に係るリニアモータでは、固定子２００’の左右両側に可動子１００が配置されるので、可動子１００と固定子２００’との間に発生する磁気吸引力を相殺することができる。磁気吸引力を相殺することで、直動軸受への負荷を低減でき、直動軸受の走行寿命を高めることができる。よって、磁気吸引力を相殺するリニアモータにおいても、推力を増大させることができると共に、組立を容易にし、安価なリニアモータを提供できる。

＜第８実施形態＞
以上、第７実施形態に係るリニアモータについて説明した。次に、図９を参照しつつ、第８実施形態に係るリニアモータについて説明する。図９は、第８実施形態に係るリニアモータの断面図である。なお、ここでは、紙面上下方向を左右方向とする。

この第８実施形態に係るリニアモータは、固定子２００が可動子１００’の左右両側に設けて構成されることが第１実施形態に係るリニアモータと異なり、他は同様に構成されている。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。

この第８実施形態に係るリニアモータでは、２つの固定子２００が左右対向して配置され、固定子２００同士が紙面奥行き方向で連結（図示なし）される。そして、固定子２００の間に、ギャップ面を左右に設けた電機子１１０’を有する可動子１００’が配置される（いわゆる磁束貫通型構造）。固定子２００の突極子２１０の構成は第１実施形態と同じである。一方、可動子１００’の電機子１１０’においては、左右にティース１１４を設けた電機子コア１１１’に、電機子巻線１１２が装着され、電機子コア１１１’と電機子巻線１１２とがモールド樹脂１１３により一体にされる。そして、電機子１１０’の左右のギャップ面に永久磁石１２０が取り付けられる。

以上説明したように、第８実施形態に係るリニアモータでは、可動子１００’の左右両側に固定子２００が配置されるので、可動子１００’と固定子２００との間に発生する磁気吸引力を相殺することができる。磁気吸引力を相殺することで、直動軸受への負荷を低減でき、直動軸受の走行寿命を高めることができる。よって、磁気吸引力を相殺するリニアモータにおいても、推力を増大させることができ、組立が容易で安価なリニアモータを提供できる。

以上、第１実施形態〜第８実施形態について説明したが、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。例えば、第１実施形態〜第８実施形態を適宜組み合わせて利用することも可能である。

また、例えば、上記実施形態では、永久磁石１２０を隙間なく配置する構成を例に説明したが、ギャップ磁束密度を大幅に低下させない程度に隙間を開けることも可能である。
また、永久磁石１２０の隙間に軟磁性材料を入れることも、永久磁石１２０によって磁極を形成することになんら変わりないので可能である。
また、副磁極永久磁石１２２の磁化方向を可動子１００の移動方向とする構成を例に説明したが、斜め方向としたり、あるいは副磁極永久磁石１２２を移動方向と斜め方向の２種類で構成することも可能である。
また、スロット１１５の開口部先端を大きく開けたり、狭めたりする構成を例に説明したが、開けることなくティース１１４の先端を接触させたり、先端をつなげる構成とすることも可能である。
また、第１実施形態〜第３実施形態で示した電機子コア１１１を分割するものとして、第４実施形態では各ティース毎に分割する電機子分割コア１３１の例を用いて説明したが、その他の分割方法として、ティースとヨークの部位毎に分割したり、ヨーク自体を設けずにティースだけとして分割したり、電機子分割コア１３１を１箇所だけ連結するようにしたりすることも適宜変更が可能である。
また、第１実施形態ではｋ＝３、ｎ＝８を例に説明したが、ｋ＝３であれば特にｎ＝１０としたり、それ以外の値をとることも可能である。
また、第２実施形態ではｋ＝２、ｎ＝５を例に説明したが、ｋ＝２であれば特にｎ＝７としたり、それ以外の値をとることも可能である。
また、第３実施形態ではｋ＝１、ｎ＝４を例に説明したが、ｋ＝１であれば特にｎ＝２としたり、それ以外の値をとることも可能である。
また、本実施形態では電機子を可動子とし、突極子を固定子として、電機子が突極子に対して相対的に移動するリニアモータの例を説明したが、電機子を固定子とし、突極子を可動子とする逆の構成としても構わない。

１００、１００’ 可動子
１１０、１１０’ 電機子
１１１、１１１’ 電機子コア
１３１ 電機子分割コア
１１２ 電機子巻線
１１３ モールド樹脂
１１４ ティース
１１５ スロット
１２０ 永久磁石
１２１ 主磁極永久磁石
１２２ 副磁極永久磁石
２００、２００’ 固定子
２１０、２１０’ 突極子
２１１ 突極

Claims (9)

1. ティースを有する電機子コアと電機子巻線とを備えた電機子と、
   突極を有する突極子と、を備え、
   前記電機子は、前記突極子と対向するギャップ面に永久磁石が配置され、
   前記ティースのピッチをτ、前記永久磁石の磁極のピッチをλｐ、前記突極のピッチをλｔ、自然数をｋおよびｎとした場合、各ピッチが次式を満たすリニアモータ。
   ３ｋ／λｐ ＋ ｎ／τ ＝ ６ｋ／λｔ
2. 前記電機子は、
   前記ティースの先端および前記ティースの間に形成されたスロットの開口部先端を含む前記ギャップ面に、前記永久磁石が配置されることを特徴とする請求項１記載のリニアモータ。
3. 前記電機子は、
   モールド樹脂によりモールドすることで平坦状に形成された前記ギャップ面に、前記永久磁石が配置される請求項１または２記載のリニアモータ。
4. 前記電機子は、
   前記ギャップ面に前記永久磁石が配置された状態でモールド樹脂によりモールドされることによって前記永久磁石と一体化される請求項１または２記載のリニアモータ。
5. 前記永久磁石は、垂直方向に磁化された主磁極永久磁石と、前記主磁極永久磁石の磁極の向きと異なるように磁化された副磁極永久磁石とから構成されたハルバッハ配列構造により構成される請求項１または２記載のリニアモータ。
6. 前記２つの自然数をｋ＝３、ｎ＝８もしくはｎ＝１０とした請求項１記載のリニアモータ。
7. 前記２つの自然数をｋ＝２、ｎ＝５もしくはｎ＝７とした請求項１記載のリニアモータ。
8. 前記２つの自然数をｋ＝１、ｎ＝２もしくはｎ＝４とした請求項１記載のリニアモータ。
9. 前記永久磁石が設けられた前記電機子と前記突極子の何れか一方を可動子とし、他方を固定子とし、
   前記可動子を前記固定子の片側に配置するか、もしくは前記固定子の左右両側に前記可動子を配置するか、もしくは、前記可動子の左右両側に前記固定子を配置した請求項１記載のリニアモータ。

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