JP5447308B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

この発明は、リニアモータに関し、特にリニアモータを構成する固定子と可動子の構造に関するものである。

工作機械のテーブル送りや搬送機器のアクチュエータに対しては、高速化・高精度化への要求が高い。そこで近年工作機械などにダイレクト駆動であるリニアモータがよく用いられるようになっている。リニアモータは、回転型サーボモータとボールネジを組み合わせた駆動方式に比べ、高速度・高加速度特性を得ることができ、かつバックラッシュや摩擦による応答誤差が生じないため高精度なシステムを構築可能である。リニアモータは工作機械や半導体製造装置などの産業機械のテーブル送りや搬送機器に用いられる。

リニアモータは、互いに摺動自在となる固定子と可動子とを備えている。一般的な固定子は、磁石板の上に複数の永久磁石を配置して構成されている。隣接する永久磁石は異極となるように着磁されている。可動子の複数のティースにはそれぞれコイルが巻回されている。回転型サーボモータとボールネジを組み合わせる場合、限界速度以下で運転する必要がありストロークに制限があるが、リニアモータには限界速度やストローク制限は理論上生じない。しかし上記のリニアモータの構成では、長ストローク化すると、必要とする永久磁石数が増加する。リニアモータの永久磁石は高推力化のためネオジム磁石が多く用いられており、リニアモータが高価である原因となっている。

そこで低コスト化のため、特許文献１は、ストローク全体に永久磁石を配置しない構成のリニアモータを提案している。このリニアモータは、隣り合う各２つの磁極が互いに異なる極性を有するように配置された磁極列を有する第１構造体と、磁極列に対向するように配置された電機子列を有する第２構造体と、互いに間隔を隔てて所定方向に並んだ所定の複数の軟磁性体で構成され、磁極列と電機子列の間に位置するように配置された軟磁性体列を有する第３構造体から構成されている。

特開２００９−２６１０７１号公報

しかし特許文献１の構成では、第１構造体と第２構造体の間に第３構造体を配置しているため、ギャップが第３構造体を挟んで両側となる。このため構造や組立が複雑であるという課題が残されている。本発明の目的は、構造が簡単なリニアモータを提供することにある。

本願に関わるリニアモータは、間隔を隔てて並列に固定配置されている軟磁性体からなる複数の磁極と、それぞれにコイルが巻回された複数のティースがバックヨーク部で互いに連結されてなる連結ティースと、複数の永久磁石が隣り合う永久磁石とは異極となるように磁極の対向面に並列に固定配置されているコアと、コアと連結ティースを結合する非磁性の連結部材とを備えていて、永久磁石とティースの先端部はともに磁極の配列方向と同じ向きに並列に配列しているものである。

この発明によれば、進行方向には複数の軟磁性体からなる磁極を並べるため価格を抑えることができ、ギャップは１面のみのため構造が簡単である。

本発明の実施の形態１におけるリニアモータの断面図である。 本発明の実施の形態１におけるリニアモータの斜視図である。 本発明の実施の形態１におけるリニアモータのティース側に着目した側面図である。 本発明の実施の形態１におけるリニアモータのコア側に着目した側面図である。 本発明の実施の形態１におけるリニアモータの磁束の流れを示す斜視図である。 本発明の実施の形態１におけるリニアモータの磁束の流れを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるリニアモータの断面図である。 本発明の実施の形態２におけるリニアモータの磁束の流れを示す図である。 本発明の実施の形態２における別の形態のリニアモータを示す図である。 本発明の実施の形態３におけるリニアモータの断面図である。 本発明の実施の形態３におけるリニアモータの磁束の流れを示す図である。 本発明の実施の形態４におけるリニアモータの断面図である。 本発明の実施の形態４におけるリニアモータの磁束の流れを示す図である。 本発明の実施の形態５におけるリニアモータの断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１を示すリニアモータの断面図を示している。図１において、リニアモータ１００は、固定子１と可動子２によって構成されている。固定子１と可動子２は、互いに摺動自在となるように所定のギャップを設けて支持されている。固定子１は磁極７と固定子板１０から構成されている。磁極７の材質は、鉄などの軟磁性体からなる。磁極７は固定子板１０の上に固定配置されているが、取り付け先である装置に直接固定して構成してもよい。固定子板１０を使う場合はステンレスやアルミニウム、エポキシガラス積層板などの非磁性体で構成するのがよい。

一方、可動子２は、ティース３と、コイル４と、永久磁石５と、コア６と、連結部材８で構成されている。ティース３はバックヨーク部３ａと先端部３ｂからなる。先端部３ｂは磁極７と対向している。ティース３のそれぞれには、コイル４が巻回されている。永久磁石５はコア６の固定子対向面６ａに貼り付けられている。連結部材８はコア６と連結されたティース３を結合している。ティース３とコア６とは図中でそれぞれ左右に配置されている。

図２にリニアモータ１００の斜視図を示す。この図では、コイル４が省略されている。磁極７は間隔を隔ててリニアモータの進行方向に対して垂直な方向に並列に並べられている。ティース３はバックヨーク部３ａで互いに連結されている。永久磁石５は隣り合う永久磁石が互いに異極となるように並列に配列されている。永久磁石５はコア６に接着剤で貼り付けられることによって固定されている。

図３は図１の左側側面図を示す。この図はリニアモータのティース側に着目した側面図である。コイル４はティース３のそれぞれに配設されている。ここにはコイル４が巻回された３個のティース３が示されている。それぞれのティース３はバックヨーク部３ａで互いに連結されていて、連結ティース１１を成している。磁極７はティース３の先端部３ｂと間隔を隔てて対向している。ティース３の先端部３ｂは磁極７の配列方向と同じ向きに並列に配列している。

図４は図１の右側側面図を示す。この図はリニアモータのコア側に着目した側面図である。ここでは並列に配置された４個の永久磁石５が示されている。永久磁石５に描かれている矢印はそれぞれの永久磁石の着磁の方向を示している。永久磁石５は磁極７の配列方向と同じ向きに並列に配列している。コア６の固定子対向面６ａには複数の永久磁石５が隣り合う永久磁石が互いに異極となるように貼り付けられている。磁極７は永久磁石５の固定子対向面５ａと間隔を隔てて対向している。ティースと永久磁石と磁極の数に関して、とりうる組合せの中で最も良い比は、ティース数：永久磁石数：磁極数＝３：４：３と考えられている。

磁束の流れを図５に示す。図５ではコイルと連結部材を省略している。磁気回路は、永久磁石５から発生する磁束が固定子１の磁極７を通りティース３へ到達し、さらに磁極７を通って永久磁石５とコア６の内部を通り、元に戻る構成となっている。磁気回路の漏れ磁束を低減するために連結部材８の材料としてはステンレスやアルミニウムなどの非磁性体を用いるのがよい。

固定子の磁極７を流れる磁束を図６に示す。永久磁石５の着磁方向に合わせて磁束の流れる方向が決まる。磁束の流れをスムーズにするためには、ティース３の固定子対向面３ｃの幅と永久磁石５の固定子対向面５ａの幅はほぼ同じでかつ磁極７の厚みは固定子対向面３ｃと固定子対向面５ａの幅とほぼ同じとするのがよい。さらに、ティース３と永久磁石５の間で磁束の漏れが起こりにくいようにティース３と永久磁石５の間はギャップ（固定子対向面３ｃまたは固定子対向面５ａと磁極７との間隔）の２倍以上の距離を離すとよい。

このような構成とすることで、固定子１に永久磁石を使わない構成とすることができる。リニアモータの進行方向には複数の軟磁性体からなる磁極７を並べるため長ストローク化した場合でも安価である。またギャップが１面であるため構造が簡単である。一般的なリニアモータと同様に互いに対向する固定子と可動子から構成されており、組立が従来と同様の手順で可能である。

実施の形態２．
図７は、この発明を実施するための実施の形態２を示すリニアモータの断面図である。この図もリニアモータの進行方向に垂直な面の断面図である。実施の形態２では、隣接する磁極の２面のそれぞれに、コイルを巻回したティース３と複数の永久磁石５が貼り付けられたコアを対向させて配置した。磁極７の上面７ａには永久磁石５が対向している。磁極７の片側の側面７ｂにはティース３の先端部が対向している。

図８に実施の形態２における固定子内の磁束の流れを示す。スムーズな磁束の流れのためにはティースの固定子対向面３ａの幅と永久磁石の固定子対向面５ａの幅をほぼ同じとし、略正方形の磁極形状とするのがよい。このため、実施の形態１と比較して磁極体積が１／２以下となり、低コスト化が可能である。また、実施の形態１と３では、ティースと永久磁石を貼り付けたコアの間に必ずコイルエンドが存在し、磁極の必要長さはその分増加する。しかし、実施の形態２の配置とすることでコイルエンドが直接磁極と対向しないため実施の形態３よりも磁極の体積を低減し、低コスト化が可能である。

図９は実施の形態２の別の形態を示す図である。この図もリニアモータの進行方向に垂直な面の断面図である。この実施の形態は、図８に示した形態において、ティースと永久磁石の配置場所を入れ替えたものである。ティース３の先端部は磁極７の上面７ａと対向している。磁極７の片側の側面７ｂには永久磁石５が対向している。

実施の形態３．
実施の形態３では実施の形態１と同様に、直線状の磁極に対して、コイルを巻回したティースと永久磁石を貼り付けたコアとを磁極の同じ上面に配置している。図１０は、この発明を実施するための実施の形態３を示すリニアモータの断面図である。図１と同様にリニアモータの進行方向に垂直な面の断面図である。実施の形態３では、可動子は連結された複数のティース３の両側に、コア（第１のコア）６１、コア（第２のコア）６２を配置し、これらの部品を連結部材８にて連結して構成されている。コア６１には隣り合う永久磁石が互いに異極となるように複数の永久磁石（第１の永久磁石）５１が固定子対向面６１ａに貼り付けられている。同様にコア６２には隣り合う永久磁石が互いに異極となるように複数の永久磁石（第２の永久磁石）５２が固定子対向面６２ａに貼り付けられている。

図１の構成では磁極と永久磁石間では磁気吸引力が大きく、磁極とコイルが巻回されたティースの間の磁気吸引力は小さいため、可動子全体に進行方向を軸の中心とする力のモーメントが発生する。このような力のモーメントは、可動子２を摺動させるために用いられるリニアガイドなどの案内機構の寿命低下を引き起こす。しかし、実施の形態３の構成とすることで可動子２にかかる力のモーメントはほぼ０になるため、案内機構の長寿命化が可能である。

実施の形態３における固定子内の磁束の流れを図１１に示す。図中には永久磁石５１と永久磁石５２の着磁方向が示されている。磁極７に対し同列に配列されている永久磁石は同じ向きに着磁されている。図６と同様に磁束の流れをスムーズにするにはティースの固定子対向面３ｃの幅に対し両側の永久磁石５１、５２の固定子対向面５１ａ、５２ａの幅は１／２倍とし、かつ固定子の磁極７の厚みは永久磁石の固定子対向面の幅とほぼ同じとするのがよい。つまり、実施の形態３は実施の形態１と比較して磁極の厚みが１／２倍となり、長ストローク化した場合の磁極コスト低減効果が大きい。

実施の形態４．
図１２は、この発明を実施するための実施の形態４を示すリニアモータの断面図である。この図もリニアモータの進行方向に垂直な面の断面図である。実施の形態４では、図７の構成においてコイルを巻回したティースの両側に複数の永久磁石を貼り付けたコアを配置し、磁極７の３面に対向させる構成とした。実施の形態４では、可動子は連結された複数のティース３の両側に、コア（第１のコア）６１、コア（第２のコア）６２を配置し、これらの部品を連結部材８にて連結して構成されている。

コア６１には隣り合う永久磁石が互いに異極となるように複数の永久磁石（第１の永久磁石）５１が貼り付けられている。同様にコア６２には隣り合う永久磁石が互いに異極となるように複数の永久磁石（第２の永久磁石）５２が貼り付けられている。永久磁石５１は側面７ｃと対向している。ティース３は上面７ａと対向している。永久磁石５２は側面７ｂと対向している。

図１０の構成では磁極と永久磁石および磁極とティース間の吸引力がアンバランスとなるため、図１と同様可動子全体に進行方向を軸の中心とする力のモーメントが発生する。このような力のモーメントは、可動子を摺動させるために用いられるリニアガイドなどの案内機構の寿命低下を引き起こす。しかし図１２の構成とすることで可動子にかかる力のモーメントはほぼ０になるため、磁極のコストを低減しつつ案内機構の長寿命化が可能である。

固定子の磁束の流れを図１３に示す。図中には永久磁石５１と永久磁石５２の着磁方向が示されている。磁極７に対し同列に配列されている永久磁石は同じ向きに着磁されている。これまでと同様に磁束の流れをスムーズとするには、ティースの固定子対向面の幅に対し永久磁石の固定子対向面の幅を１／２倍とするとよい。このことにより、実施の形態２と比較してさらに磁極体積が１／２倍となり、磁極の低コスト化が可能である。

実施の形態５．
図１４は、この発明を実施するための実施の形態５を示すリニアモータの断面図である。図１２においてコイルに近接するコア６１、６２の部分を鉄より熱伝導率がよい材料に替えて放熱板９とし、コイル４と放熱板９を接触させる構成とした。放熱板９の材料としては、アルミや銅などが挙げられる。

図１２の構成ではコイル４がコア６１、６２の内部にあるため、コイル４で発生した熱が可動子の外に逃げにくい構造となっていた。しかし実施の形態５の構成とすることで、コイル４で発生した熱が放熱板９に伝達し、可動子表面に到達して放熱しやすくなり、可動子温度が低減可能である。

１００ リニアモータ、１ 固定子、２ 可動子、３ ティース、４ コイル、５ 永久磁石、６ コア、７ 磁極、８ 連結部材、９ 放熱板

Claims (8)

1. 間隔を隔てて並列に固定配置されている軟磁性体からなる複数の磁極と、
   それぞれにコイルが巻回された複数のティースがバックヨーク部で互いに連結されてなる連結ティースと、
   複数の永久磁石が隣り合う永久磁石とは異極となるように前記磁極の対向面に並列に固定配置されているコアと、
   前記コアと前記連結ティースを結合する非磁性の連結部材とを備えていて、
   前記永久磁石と前記ティースの先端部はともに前記磁極の配列方向と同じ向きに並列に配列しているリニアモータ。
2. ティースの先端部と永久磁石はともに磁極の上面と対向し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。
3. ティースの先端部は磁極の側面と対向し、永久磁石は磁極の上面と対向し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。
4. ティースの先端部は磁極の上面と対向し、永久磁石は磁極の側面と対向し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。
5. 間隔を隔てて並列に固定配置されている軟磁性体からなる複数の磁極と、
   それぞれにコイルが巻回された複数のティースがバックヨーク部で互いに連結されてなる連結ティースと、
   第１の複数の永久磁石が隣り合う永久磁石とは異極となるように前記磁極の対向面に並列に固定配置されている第１のコアと、
   第１の複数の永久磁石とは異なる第２の複数の永久磁石が隣り合う永久磁石とは異極となるように前記磁極の対向面に並列に固定配置されている第２のコアと、
   前記第１のコアと前記連結ティースと第２のコアを結合する非磁性の連結部材とを備えていて、
   前記連結ティースは第１のコアと第２のコアの間に配設されていて、前記永久磁石と前記ティースの先端部はともに前記磁極の配列方向と同じ向きに並列に配列しているリニアモータ。
6. 第１の複数の永久磁石とティースの先端部と第２の複数の永久磁石は、磁極の上面と対向していることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
7. 第１の複数の永久磁石は磁極の第１の側面と対向し、ティースの先端部は磁極の上面と対向し、第２の複数の永久磁石は第１の側面に対向する磁極の第２の側面と対向していることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
8. 第１のコアと第２のコアはコイルの外周と接触する放熱部材を介して連結部材と結合されていることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。

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