JP2007312449A

JP2007312449A - 周期磁界発生装置およびこれを用いた電動機

Info

Publication number: JP2007312449A
Application number: JP2006136108A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Ishibashi; 利之石橋
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2007-11-29

Abstract

【課題】任意の発生磁界強度および波形を有する設計自由度の大きい周期磁界発生装置およびこれを用いた電動機を提供する。
【解決手段】本発明の周期磁界発生装置は、発生磁界の方向に磁化された永久磁石からなる主磁極とこの近傍に配置される永久磁石からなる副磁極とから構成されるハルバッハ磁石配列構造の界磁極を備えたもので、前記主磁極は磁界発生面に配置され、前記副磁極は前記主磁極の磁界発生面から離れた位置に配置されたものである。また、主磁極間および／または副磁極間に隙間を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハルバッハ磁石配列構造の永久磁石で構成される界磁極を備えた周期磁界発生装置およびこれを用いた電動機に関する。

従来から、ＮＣ工作機械や半導体製造装置などのＦＡ分野では、送りや加工の高速化、高精度化を達成できるようにリニアモータが用いられている。
このうちリニアモータの界磁極には、（１）磁極毎に磁石を配置し隣接する磁石の磁化方向を１８０度異なるように配置した周期磁界発生装置と、（２）磁極の向きが異なる主磁極と副磁極とから構成されるハルバッハ磁石配列構造の永久磁石を配置した周期磁界発生装置の２種類が提案されている（例えば、特許文献１参照）。後者の周期磁界発生装置は、前者の周期磁界発生装置に比べ、発生磁界が大きく、発生磁界が正弦波分布となる、などの特長を有することから、リニアモータに適用した場合、推力向上や推力リプルの低減を図れるという利点がある。後者の周期磁界発生装置について三つの例を説明する。
（第１の従来例）
第１の従来例を図８に示す。図８は、従来のハルバッハ磁石配列構造の永久磁石を配置した周期磁界発生装置の側断面図である。図８において、１１１は永久磁石からなる主磁極、１１２は永久磁石からなる副磁極、１０２は磁化の方向、１０３はヨーク、１０５は磁界発生面であり、ヨーク１０３の反対側（図の上側）の磁界発生面１０５に、正弦波またはそれに近い磁束密度波形を有する周期的な磁界を発生させることができる。

（第２の従来例）
第２の従来例として、周期の異なるハルバッハ磁石配列を２列に配置した周期磁界発生装置が提案されているものがある（例えば、特許文献２参照）。
図９は、第２の従来例を示す周期磁界発生装置の側断面図である。周期の異なるハルバッハ磁石配列を２列に配置した構造を示している。図９において、１２１および１２２は永久磁石からなる第１の磁石列の主磁極および副磁極、１３１および１３２は永久磁石からなる第２の磁石列の主磁極および副磁極、１０３はヨーク、１０５は磁界発生面である。その結果、ピーク磁界強度が高い三角波型に近似できるような磁界を発生することができる。

（第３の従来例）
上記のハルバッハ磁石配列構造における永久磁石の形状は直方体であるが、直方体以外の形状を有する磁石を用いたハルバッハ磁石配列構造の周期磁界発生装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
図１０は、第３の従来例を示す周期磁界発生装置の側断面図である。直方体以外の形状を有する磁石を用いたハルバッハ磁石配列構造の周期磁界発生装置の側断面図を示しており、特許文献３の回転型モータの固定子をリニア構造に変換したものである。図１０において、１１１は永久磁石からなる主磁極、１１２は永久磁石からなる副磁極、１０２は磁化の方向、１０３はヨーク、１０５は磁界発生面であり、ヨーク１０３の反対側（図の上側）の磁界発生面１０５に、正弦波またはそれに近い磁束密度波形を有する周期的な磁界を発生させることができ、磁石を薄肉化できる。
特開２００３−０７０２２６号公報（第２−４頁、図１および図４）特開平０６−１４０１９５号公報（第３−７頁、図１）特開２００４−０１５９０６号公報（第３−４頁、図１）

ところが、従来のハルバッハ磁石配列構造の周期磁界発生装置では、磁気回路の構成上、磁界発生面に発生磁界に直接的には貢献しない副磁極（永久磁石）の配置が必須であり、磁界発生面は主磁極永久磁石および副磁極（永久磁石）だけから構成されるため、発生磁界強度および波形の形状などを自由に設計することができないという問題があった。

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、任意の発生磁界強度および波形を有する設計自由度の大きい高周期磁界発生装置およびこれを用いた電動機を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１の発明は、発生磁界の方向に磁化された永久磁石からなる主磁極とこの近傍に配置される永久磁石からなる副磁極とから構成されるハルバッハ磁石配列構造の界磁極を備えた周期磁界発生装置において、前記主磁極は磁界発生面に配置され、前記副磁極は前記主磁極の磁界発生面から離れた位置に配置されたことを特徴としている。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の周期磁界発生装置において、前記主磁極の配列は、隣接する主磁極の境界に隙間を設けたことを特徴としている。
また、請求項３の発明は、請求項１または２記載の周期磁界発生装置において、前記副磁極の配列は、隣接する副磁極の境界に隙間が設けてあることを特徴としている。
また、請求項４の発明は、請求項１から請求項３に記載の周期磁界発生装置において、前記主磁極の形状は、磁極中心部の磁石高さが高く磁極間部の磁石高さが低いことを特徴としている。
また、請求項５の発明は、請求項１から４に記載の周期磁界発生装置において、前記ハルバッハ磁石配列構造の界磁極を少なくとも２個対向させたことを特徴としている。
また、請求項６の発明は、請求項１から５に記載の周期磁界発生装置を用いて製作されたことを特徴とする電動機である。

請求項１から請求項６に記載の発明によると、発生磁界に直接的には貢献しない副磁極を磁界発生面から取り除くことが可能であり、磁界発生面の主磁極と隣接する主磁極との間に隙間を設けることもできるので、任意の発生磁界強度および波形を有する設計自由度の大きい周期磁界発生装置およびこれを用いた電動機を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図である。図１において、１は永久磁石からなる磁極、１１は永久磁石からなる主磁極、１２は永久磁石からなる副磁極、２は磁化の方向、３はバックヨーク、５は磁界発生面である。なお、主磁極１１および副磁極１２の永久磁石としてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石を、バックヨーク３として純鉄を用いた。
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、磁界発生面（図の上）には発生磁界の方向に磁化された主磁極１１だけを配置し、副磁極１２は主磁極１１よりも磁界発生面から離れた位置にし、かつ、主磁極１１に隣接させ、主磁極１１の発生磁束をつなぐように配置している点である。なお、主磁極１１の磁化方向は、上向き（↑）と下向き（↓）が交互なるように配置した。

このように主磁極１１と副磁極１２を配置したので、異方性を有する磁路となる副磁極１１を残したまま、発生磁界強度に直接寄与する主磁極を発生磁界面全面に配置できる。したがって、動作点を高く、かつ磁石量を増やせることから、発生磁界強度を高めることができる。

図２は、本発明の第２の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図である。図２において、４１は主磁極間隙間である。他の符号は実施例１と同じであるため以後説明を省略する。
実施例１と異なる点は、主磁極１１と隣接する主磁極１１との間に主磁極間隙間４１が設けてある点であり、従来技術と異なる点でもある。
従来技術のハルバッハ磁石配列構造では磁界発生面の磁石間に隙間を設けることは磁気回路上できなかったが、本実施例ではこの主磁極隙間４１を自由に設定することができるため、発生磁界の波形を自由に設計することができる。

図３は、本発明の第３の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図である。図３において、４２は副磁極間隙間である。
本実施例では、副磁極１２の間にも自由に隙間を設けることができるので、発生磁界の波形を自由に設計することができるという従来技術のハルバッハ磁石配列構造にはないメリットである。

図４は、本発明の第４の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図である。
本実施例では、主磁極１１の間と副磁極１２の間に同時に主磁極隙間４１と副磁極間隙間４２を設けることもでき、磁気回路の設計自由度は高くなる。

図５は、本発明の第５の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図である。
本実施例は、主磁極１１の形状を直方体ではなく、磁極中心部の磁石高さを高く、磁極間部の磁石高さを低くしたものである。この点が実施例１から実施例４と異なる点である。主磁極１１および副磁極１２の磁石高さを高くした部分は、磁束が多く通るため磁束密度が高くなりやすい部分でもあり、その部分の磁石高さを高くすることにより、永久磁石中の磁気飽和を低減できるので、磁気回路的に有利となる。
また、任意の発生磁界強度および波形を得るために、主磁極間隙間４１を設けた例を図６に示した。ここでは主磁極間隙間４１を設けた例だけを図示したが、副磁極間隙間４２を設けても、主磁極間隙間４１と副磁極間隙間４２を同時に設けても、本発明が有効である。

図７は、本発明の第６の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図である。本実施例は実施例１で用いた界磁極を２個対向させることにより、発生磁界強度を高めたものである。図７には、磁石形状が直方体で、磁極間隙間のない例を示したが、複数の磁気回路を対向させる場合においても、それらに限定されることはない。

なお、以上の本発明の実施例の説明では、永久磁石としてＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の焼結磁石を、軟磁性材料としては純鉄を用いたが、本発明で用いる永久磁石としては、希土類磁石、フェライト磁石、鋳造磁石、ボンド磁石などが使用可能であり、本発明で用いる軟磁性材料としては、軟鋼、ケイ素鋼板、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｖ系材料などが使用可能であり、本発明は永久磁石や軟磁性材料の種類に限定されるものではない。

また、１磁極に対し１個の主磁極と１個の副磁極の例を示したが、永久磁石の製造可能な大きさや吸引・反発力による組立上の困難さなどの制約を回避することや、永久磁石中の渦電流の発生およびそれに伴う発熱や損失を回避することなどを目的に、複数個の永久磁石から構成しても良い。

本発明の周期磁界発生装置は、発生磁界を高くできることから、リニアモータに代表される機器に適用できる。
また、本発明のリニアモータ、回転型モータ、揺動モータは、推力やトルクが高いことから、半導体／液晶製造装置や電子部品実装機、工作機械、金属加工機械、産業用ロボットなどの装置に適用できる。

本発明の第１の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図本発明の第２の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図本発明の第３の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図本発明の第４の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図本発明の第５の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図本発明の第５の実施例の変形例を示す周期磁界発生装置の断面図本発明の第６の実施例を示す周期磁界発生装置の断面図第１の従来例を示す周期磁界発生装置の断面図第２の従来例を示す周期磁界発生装置の断面図第３の従来例を示す周期磁界発生装置の断面図

符号の説明

１磁極（永久磁石）
１１主磁極
１２副磁極
２磁化方向
３バックヨーク
４１主磁極間隙間
４２副磁極間隙間
５磁界発生面
１１１主磁極（永久磁石）
１１２副磁極（永久磁石）
１２１主磁極（第１の永久磁石列）
１２２副磁極（第１の永久磁石列）
１３１主磁極（第２の永久磁石列）
１３２副磁極（第２の永久磁石列）
１０２磁化方向
１０３バックヨーク
１０５磁界発生面

Claims

発生磁界の方向に磁化された永久磁石からなる主磁極とこの近傍に配置される永久磁石からなる副磁極とから構成されるハルバッハ磁石配列構造の界磁極を備えた周期磁界発生装置において、
前記主磁極は磁界発生面に配置され、前記副磁極は前記主磁極の磁界発生面から離れた位置に配置されたことを特徴とする周期磁界発生装置。
前記主磁極の配列は、隣接する主磁極の境界に隙間が設けてあることを特徴とする請求項１記載の周期磁界発生装置。
前記副磁極の配列は、隣接する副磁極の境界に隙間が設けてあることを特徴とする請求項１または２記載の周期磁界発生装置。
前記主磁極の形状は、磁極中心部の磁石高さが高く磁極間部の磁石高さが低いことを特徴とする請求項１から３に記載の周期磁界発生装置。
請求項１から４に記載の界磁極を少なくとも２個対向させて配置したことを特徴とする周期磁界発生装置。
請求項１から５に記載の周期磁界発生装置を用いて製作されたことを特徴とする電動機。