TWI664795B - Linear motor - Google Patents
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Abstract
提供一種線性馬達,該線性馬達係可一面達成小型的構成及產生大的推力,一面可大幅度地減少吸力且可減少起動轉矩。線性馬達係包括:可動子,係具有排列複數個矩形之永久磁鐵的磁鐵排列;作為定子之後軛,係隔著間隙與可動子相對向配置;以及作為定子之電樞,係隔著間隙在與後軛係相反側與可動子相對向配置;複數個永久磁鐵各自的磁化方向係厚度方向,相鄰的永久磁鐵彼此的磁化方向係反向;電樞係以等間距具有各自被捲繞驅動線圈的複數個磁極齒;後軛係在與可動子相對向的面,在可動子之可動方向與電樞之磁極齒相同的位置具有複數個磁極齒。
Description
本發明係有關於一種將可動子與定子組合並取出直線運動輸出的線性馬達。
以往,在X、Y移動,使用以滾珠螺桿將轉動式馬達的輸出變換成直線運動的方法,但是因為移動速度慢,所以發展可直接取出直線運動輸出之線性馬達的利用。線性馬達係一般,將具有複數個矩形之永久磁鐵的可動子、與具有複數個磁極齒之電樞組合所構成。
又,在半導體製造裝置之加工機的焊線、載晶,因為需要高速的往復運動,所以使用質量小而可得到大的加速度之線性馬達為佳。作為這種線性馬達,為了圖謀小型化,例如如專利文獻1或2之揭示所示,採用不是可動子之永久磁鐵與作為定子之電樞的整個面相對向,而是形成使在可動子之永久磁鐵的排列長度比電樞的長度更短之構成的線性馬達。
這種線性馬達係形成隔著間隙,使可動子與電樞相對向的構成,該可動子係具有排列複數個永久磁鐵的磁鐵排列、及與該磁鐵排列一體化之平板狀的後軛,該電樞係將驅動線圈分別捲繞於複數個磁極齒。藉對驅動線圈的通電,可動子(磁鐵排列及後軛)移動,而可動子與電樞之長度的差值成為線性馬達之可動作的行程。
在以強磁性體所形成之後軛與磁鐵排列構成可動子的情況,在相對向的定子之間產生吸力。因所產生之吸力,大的垂直阻力作用於將可動子支撐成在既定方向可移動的軸承。此垂直阻力係造成軸承的短命化。又,垂直阻力所作用的方向係與可動子之可動方向交叉的方向。因此,需要在考慮該垂直阻力下,選定軸承。因此,變成選定比根據可動子所造成之負載的軸承更大型的軸承。這導致線性馬達整體的大型化。
因此,提議一種線性馬達(專利文獻3~5等),該線性馬達係與上述之線性馬達相異,僅使磁鐵排列作用為可動子,且後軛係作用為定子的線性馬達。
在這種線性馬達,使磁鐵排列與平板狀的後軛分開,在與電樞係相反側,隔著間隔使後軛與磁鐵排列相對向,作成僅使磁鐵排列可移動。僅磁鐵排列移動,後軛係與電樞一樣地不移動。磁鐵排列的長度係比電樞的長度更短,此長度的差值成為線性馬達之可動作的行程。 [先行專利文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2005-269822號公報 [專利文獻2]日本再公開專利WO2016/159034號公報 [專利文獻3]日本特開2005-117856號公報 [專利文獻4]日本特開2015-130754號公報 [專利文獻5]日本特開2005-184984號公報
[發明所欲解決之課題]
可動子係被相對向之電樞的磁極齒面強力地吸引。此時之吸力F係根據如下的數學式表達。 F=B2
S/2μ0
(其中,B:電樞之磁極齒上的磁通密度,S:可動子與電樞之相對向有效面積,μ0
:真空的導磁率)
在具有使磁鐵排列與平板狀的後軛一體化之可動子的線性馬達(一體型線性馬達:專利文獻1或2等),此吸力係成為平常額定推力的數倍至十倍以上。因此,具有因大的吸力而可動子翹曲的問題。結果,利用這種發生翹曲之線性馬達之加工機的尺寸精度變差。又,需要使可動子之剛性變大,而具有構成變成大型化的缺點。
因為過大的吸力係亦影響支撐可動子的線性導軌,所以為了可承受此過大的吸力,線性導軌係需要額定負載大者,在這一點亦無法避免構成之大型化。因此,減少如上述所示之吸力為佳。但,在減少吸力時,需要預先作成使小型的構成與產生大的推力都可實現。
又,在一體型線性馬達,因大的邊緣效應,而齒槽效應轉矩變大,而具有起動轉矩大的課題。
在使磁鐵排列與平板狀的後軛分開,而僅使磁鐵排列移動之構成的線性馬達(分離型線性馬達:專利文獻3~5等),因為從後軛與電樞之雙方吸力作用於磁鐵排列,所以整體之吸力係變成比一體型線性馬達小。可是,在分離型線性馬達,關於與磁鐵排列相對向之磁極面積,相對在電樞側係僅相對向之磁極齒的面積,在後軛側係成為與總磁鐵面積大致相同的面積。因此,在兩間隙內之磁通密度是相同的情況,因為因應於此磁極面積的百分比,在後軛側變成大的吸力作用,所以無法期望整體吸力可大幅度的減少。
因此,想到使磁鐵排列與後軛之間隙變寬,而使間隙之磁通密度變小,使磁鐵排列與後軛之吸力減少至磁鐵排列與電樞之間的吸力同程度。可是,在使磁鐵排列與後軛之間隙變寬的情況,因為來自電樞之用以產生推力的磁通密度亦減少,所以具有推力變小的問題。因此,在至目前為止所提議的分離型線性馬達,具有為了減少作用於可動子之吸力而無法避免推力之減少的課題。
又,在分離型線性馬達,如上述所示,因為可動子(磁鐵排列)與定子(電樞)之間的吸力、及可動子與後軛的吸力係大致相同的大小,且反向,所以可減少作用於可動子之吸力。可是,明白因為使後軛與磁鐵排列分開,而動作時在後軛所產生之渦電流增大。渦電流之增大係導致發熱。這種線性馬達係不適合需要將環境溫度保持於既定範圍的裝置,例如在半導體製造裝置之工作台的驅動源。
本發明係鑑於上述之情況所開發者,其目的在於提供一種線性馬達,該線性馬達係可一面達成小型的構成及產生大的推力,一面可大幅度地減少吸力且可減少起動轉矩。
本發明之其他的目的在於提供一種線性馬達,該線性馬達係一面減少作用於磁鐵排列之吸力,一面可抑制渦電流。 [解決課題之手段]
本發明之線性馬達的特徵為包括:可動子,係具有排列複數個矩形之永久磁鐵的磁鐵排列;作為定子之後軛,係隔著間隙與該可動子相對向配置;以及作為定子之電樞,係隔著間隙在與該後軛係相反側與該可動子相對向配置;該複數個永久磁鐵各自的磁化方向係厚度方向,相鄰的永久磁鐵彼此的磁化方向係反向;該電樞係以等間距具有各自被捲繞驅動線圈的複數個磁極齒;該後軛係在與該可動子相對向的面,在該可動子之可動方向與該電樞之磁極齒相同的位置具有複數個磁極齒;在該後軛之磁極齒的磁極面積係在該電樞之磁極齒的磁極面積的0.9倍~1.1倍,該可動子與該後軛之間隙係和該可動子與該電樞之間隙相等或比較大。
在本發明之線性馬達,具有:可動子,係具有排列複數個永久磁鐵的磁鐵排列;後軛,係隔著間隙與可動子相對向配置;以及電樞,係隔著間隙在與後軛係相反側與可動子相對向配置。磁鐵排列作用為可動子,後軛及電樞係作用為定子。在磁鐵排列之複數個矩形之永久磁鐵各自係在厚度方向被磁化,在相鄰的永久磁鐵之間其磁化方向係反向。電樞係以等間距具有複數個磁極齒,在各磁極齒被捲繞驅動線圈。後軛係與可動子相對向的面不是平板狀,而以等間距形成複數個磁極齒。在後軛之磁極齒的間距係與電樞之磁極齒的間距相等,在後軛之磁極齒的位置係在可動子之可動方向與電樞之磁極齒相同的位置。後軛之磁極齒的磁極面積係電樞之磁極齒的磁極面積的0.9倍~1.1倍,又,可動子與後軛之間隙係可動子與電樞之間隙以上。
在本發明之線性馬達,在後軛亦在與後軛相同的位置設置磁極面積大致相同的磁極齒。即,作成僅使被施加來自電樞之驅動磁通的後軛部分接近可動子,在與電樞之磁極齒相對向的部分以外與可動子隔著間隙的構成。因為與可動子相對向之電樞的磁極面積、和與可動子相對向之後軛的磁極面積大致相等,所以彼此高效率地相抵消,整體之吸力係大幅度變小。因此,即使不使可動子與後軛之間隙變大,亦可實現大幅度地減少吸力。在此時,因為不必使可動子與後軛之間隙變大,所以推力之減少較小。
又,因為藉對後軛之磁極齒的形成所產生的凹凸形狀,在後軛產生驅動磁通之切割區域,所以不僅電樞,而且後軛亦有助於推力的產生。此推力之產生補償由與可動子之間隙(氣隙)增加至2處所引起之推力的降低,而整體上可得到大的推力。因此,一面維持大的推力,一面可大幅度地減少作用於磁鐵排列(可動子)之吸力。
在本發明之線性馬達,因為將可動子配置於以等間距具有複數個磁極齒的電樞、與在可動方向在與此電樞之磁極齒相同的位置具有複數個磁極齒的後軛之間的構成,所以在與可動方向垂直的方向之磁鐵排列的齒槽效應轉矩變小,而可圖謀減少可動子之起動轉矩。
在使後軛之磁極齒的磁極面積變成太廣的情況,從周圍拾取很多磁通,而吸力變大,另一方面,在使後軛之磁極齒的磁極面積變成太窄的情況,用以得到推力之磁通減少,而推力降低。因此,將後軛之磁極齒的磁極面積作成電樞之磁極齒的磁極面積的0.9倍~1.1倍。
因為在電樞的磁極齒被捲繞驅動線圈,所以電樞的磁極齒係構成為不太低,電樞之磁極齒的高度係變成比在後軛之磁極齒的高度更高。因此,因為在後軛係磁極齒的高度低,所以在磁極齒以外的部分亦產生磁通而有吸力變成比電樞側大的傾向。因此,為了可進行吸力之高效率的抵消,使可動子與後軛之間隙和可動子與電樞之間隙相等或比較大。
本發明之線性馬達係特徵為:在該後軛之該磁極齒的高度係該磁極齒之間距的1/20倍以上且2倍以下。
在本發明之線性馬達,在使後軛之磁極齒的高度遠小於間距的情況,無法得到設置磁極齒(凹凸形狀)之效果,另一方面,在使後軛之磁極齒的高度遠大於間距的情況,效果不變,卻不利小型化。因此,將在後軛之磁極齒的高度作成磁極齒之間距的1/20倍以上且2倍以下。
本發明之線性馬達係特徵為:該可動子的長度係比該電樞的長度更短,且比該後軛的長度更短。
在本發明之線性馬達,可動子的長度比電樞及後軛各自的長度更短。因此,是小型的構成,可確保大的加速度。又,因為邊緣效應變小,所以齒槽效應轉矩變小,而可圖謀減少起動轉矩。
本發明之線性馬達係特徵為:該可動子與該後軛之間隙的大小及/或該可動子與該電樞之間隙的大小係可變。
在本發明之線性馬達,可動子與後軛之間隙的大小及/或可動子與電樞之間隙的大小係可變。因此,因應於使用時之驅動磁動勢的大小,調整可動子與後軛之間隙的大小及/或可動子與電樞之間隙的大小,藉此,可使吸力變成幾乎零。
本發明之線性馬達的特徵為包括:可動子,係具有排列複數個矩形之永久磁鐵的磁鐵排列;作為定子之後軛,係隔著間隙與該可動子相對向配置;以及作為定子之電樞,係隔著間隙在與該後軛係相反側與該可動子相對向配置;該複數個永久磁鐵各自的磁化方向係厚度方向,相鄰的永久磁鐵彼此的磁化方向係反向;該電樞係以等間距具有各自被捲繞驅動線圈的複數個磁極齒;該後軛係在與該可動子相對向的面,在該可動子之可動方向與該電樞之磁極齒相同的位置具有複數個磁極齒;該後軛所具有之該磁極齒係在與該可動子之可動方向交叉的方向將複數片板狀構件積層而成。
在本發明之線性馬達,藉由將磁極齒作成積層構造,可一面減少作用於可動子之吸力,一面降低渦電流。
本發明之線性馬達係特徵為:該後軛係從該磁極齒的根部與該磁極齒之突出方向係反向的一部分由複數片板狀構件在該磁極齒的積層方向積層而成;構成該後軛之積層部分的板狀構件、與構成該磁極齒的板狀構件係成為一體。
在本發明之線性馬達,藉由後軛係將從與磁極齒之連接部分將厚度方向的一部分作成積層構造,可更減少渦電流。又,因為構成後軛之積層部分的板狀構件、與構成磁極齒的板狀構件係成為一體,所以減少製造工時。
本發明之線性馬達係特徵為:該複數片板狀構件係對積層面施加絕緣處理。
在本發明之線性馬達,因為複數片板狀構件係對積層面施加絕緣處理,所以可更減少渦電流。
本發明之線性馬達係特徵為:該可動子係具有固持該磁鐵排列的固持構件,該固持構件係具有該複數個永久磁鐵各自可插入的複數個孔。
在本發明之線性馬達,藉固持構件固持磁鐵排列(複數個永久磁鐵)。因此,因為可動子(磁鐵排列)之剛性變大,所以難發生永久磁鐵之翹曲、彎曲等的變形,而可減少起動轉矩。
本發明之線性馬達係特徵為:該可動子係具有該固持構件及黏著固定該複數個永久磁鐵之板狀的底材料。
在本發明之線性馬達,在複數個永久磁鐵被插入固持構件之孔的狀態,磁鐵排列(複數個永久磁鐵)及固持構件被黏著固定於板狀的底材料。藉此,更提高可動子(磁鐵排列)之剛性,實現更進一步減少起動轉矩的同時,可防止永久磁鐵之脫落。 [發明效果]
在本發明之線性馬達,可一面實現小型的構成與產生大的推力,一面可大幅度地減少作用於可動子(磁鐵排列)的吸力,且可減少可動子之起動轉矩。因此,可抑制大的吸力所伴隨之翹曲所造成的變形,而可防止利用線性馬達之裝置之尺寸精度的惡化。因為可使吸力變小,所以可使可動子之剛性與支撐可動子之支撐系統的剛性變小,而不僅可圖謀小型化,而且藉可動質量之輕量化,可改善加速度。又,藉由將磁極齒構造設置於後軛,因為對可動子附加來自後軛的推力,所以將間隙設置於磁鐵排列與後軛之間可將所造成之推力的減少抑制在最低限度。
又,在本發明之線性馬達,可一面減少作用於可動子(磁鐵排列)之吸力,一面抑制渦電流。
以下,根據表示本發明之實施形態的圖面,詳述本發明。 (第1實施形態)
第1圖及第2圖係表示第1實施形態之線性馬達1之構成的立體圖及側視圖。第3圖及第4圖係表示在第1實施形態之線性馬達1的可動子2之構成的平面圖及分解立體圖。此外,在第1圖及第2圖,僅可動子2係為了得知磁鐵之配置而表示從與可動方向平行之方向的截面。
線性馬達1係包含可動子2、後軛3以及電樞4。將後軛3相對向配置成與可動子2隔著間隙,在與後軛3係相反側將電樞4相對向配置成與可動子2隔著間隙。後軛3及電樞4係作用為定子。
形成長條狀的可動子2係如第4圖所示,包含複數個永久磁鐵21、固持框22以及固定板23。複數個永久磁鐵21之並排方向成為可動子2之長度方向。各永久磁鐵21係形成矩形。各永久磁鐵21係例如是Nd-Fe-B系的稀土類磁鐵。各永久磁鐵21係在厚度方向(第2圖之上下方向)被磁化,在相鄰的永久磁鐵21、21之間其磁化方向係反向。即,在磁鐵排列,交互地配置在從後軛3側往電樞4側之方向被磁化的永久磁鐵21、與在從電樞4側往後軛3側之方向被磁化的永久磁鐵21。
如第4圖所示,固持框22係形成矩形的板狀。固持框22的厚度係比永久磁鐵21的厚度薄。在固持框22被設置複數個矩形的孔221。固持框22係由例如SUS、鋁等之非磁性材料所構成。孔221係作成與永久磁鐵21對應的形狀。各永久磁鐵21係被嵌入孔221,並以黏著劑固定於固持框22。孔221係被設置成以等間距並列被固定於固持框22之各永久磁鐵21。又,在將永久磁鐵21固定於固持框22時,對孔221嵌入成相鄰的永久磁鐵21、21之間的磁化方向成為逆向。如第3圖所示,各永久磁鐵21係以注意角度θ作成斜配置。
在複數個永久磁鐵21被插入固持框22之孔221並被固持的狀態,以黏著劑將固持框22固定於固定板23。又,永久磁鐵21之底面亦被黏著於固定板23。固定板23係由非磁性之SUS所構成。依此方式,因為將磁鐵排列固持於固持框22並黏著固定於固定板23,所以可動子2之剛性係高,永久磁鐵21亦不會發生脫落。以固定板23與後軛3相對向的方式將可動子2配置於後軛3與電樞4之間隙。此外,固定板23係不是必需,在以固持框22充分固持永久磁鐵21的情況係不需要。
後軛3及電樞4之在可動方向(第2圖之左右方向)的長度係大致相等,可動子2之在可動方向(第2圖之左右方向)的長度係比在這些後軛3及電樞4的長度更短,此長度的差值成為線性馬達1之可動作的行程,藉這種構成,以求降低邊緣效應。
是軟鋼製以軟質磁性體(例如矽鋼板)為佳的後軛3之與可動子2不相對向之側的面係平板形,但是後軛3之與可動子2相對向之側的面係不是平板形,在可動方向以等間距形成於複數個矩形的磁極齒31。各磁極齒31的高度係磁極齒31之形成間距的1/20倍以上且2倍以下,1/10倍以上且1倍以下為佳。例如,各磁極齒31的高度係磁極齒31之形成間距的約一半。
在電樞4,在可動方向以等間距將是軟質磁性體製之複數個矩形的磁極齒42成一體地設置於是軟質磁性體製之鐵心41,驅動線圈43被捲繞於各磁極齒42。
在後軛3之磁極齒31的間距係與電樞4之磁極齒42的間距相等,在後軛3之磁極齒31的位置係在可動子2的可動方向與電樞4之各磁極齒42的位置相同。又,後軛3的磁極齒31之與可動子2相對向之磁極面的形狀係形成與電樞4的磁極齒42之與可動子2相對向的磁極面大致相同之形狀的矩形,前者的磁極面積係後者之磁極面積的0.9~1.1倍。例如,磁極齒31之磁極面與磁極齒42之磁極面係相同的矩形,並具有相同的面積。又,可動子2與後軛3之間隙係和可動子2與電樞4之間隙相等或比較大。例如,後者的間隙是0.5mm,前者的間隙是0.5mm以上。即使此情況之可動子2與後軛3的間隙係在構成上包含固定板23的情況,亦不含固定板23的厚度,而表示可動子2本身與後軛3的間隔(最短距離)。換言之,此間隙係磁性上的間隙(磁性間隙),而不必考慮是非磁性之固定板23的厚度。
第1實施形態之線性馬達1係將7個永久磁鐵21與6個磁極齒31及磁極齒42相對向的7極6槽作為基本構成。在第1圖及第2圖所示的形態,係具有使基本構成變成2倍的14極12槽構成。
在第1實施形態之線性馬達1,在後軛3之與可動子2相對向之側的面,形成磁極齒31,該磁極齒31係與電樞4的磁極齒42在可動方向之相同的位置具有大致相同之形狀的磁極面,且磁極面積大致相等。因此,在可動子2及後軛3之間所產生之吸力的大小、與在可動子2與電樞4之間所產生之吸力的大小變成大致相等,因為在第2圖之上下方向雙方之吸力有效地相抵消,所以線性馬達1整體上作用於可動子2的吸力係變成很小。依此方式,在第1實施形態之線性馬達1,即使不使可動子2與後軛3之間隙變大亦可實現吸力之大幅度的降低。因此,因為不必使可動子2與後軛3之間隙變大,所以不會發生推力之降低。
又,在第1實施形態之線性馬達1,如上述所示,因為係在等間距地具有複數個磁極齒42的電樞4、與和此電樞4之磁極齒42在可動方向之相同的位置具有複數個磁極齒31的後軛3之間,配置可動子2的構成,所以在與可動方向垂直的方向之磁鐵排列的齒槽效應轉矩變小,而可圖謀減少可動子2之起動轉矩。進而,因為作成以固持框22固持磁鐵排列,並黏著固定於固定板23,所以可使可動子2之剛性變大,而永久磁鐵21之翹曲、彎曲等的變形難發生,在這一點亦有助於降低可動子2之起動轉矩。
在第1實施形態之線性馬達1,將複數個磁極齒31形成於後軛3,因為藉與此可動子2相對向的凹凸形狀產生驅動磁通之切割區域,所以不僅電樞4,而且後軛3亦有助於推力的產生。第5圖係表示在第1實施形態之線性馬達1的磁通之流向的側視圖。在第5圖,箭號係表示磁通之流向。在線性馬達1,藉在電樞4側之磁通的切割產生推力,且藉在後軛3側之磁通的切割亦產生推力,而在線性馬達1所產生之推力係成為這兩推力之和。此外,在未形成如第1實施形態所示之磁極齒31而後軛是平板狀的線性馬達,在後軛側不會產生推力,而成為只有藉在電樞4側之磁通的切割所產生的推力。
在第1實施形態之線性馬達1。因為在可動子2與後軛3之間亦設置間隙,所以擔心因此間隙而推力降低。可是,如上述所示,因為在後軛3側亦可產生推力,所以補償由間隙所引起之推力的降低,而可實現大的推力。
從以上之事項,在第1實施形態之線性馬達1。可一面維持大的推力,一面大幅度地減少作用於可動子2之吸力。因此,在可動子2幾乎不會產生吸力所伴隨之翹曲,而在使用線性馬達1的半導體製造裝置之加工機等的尺寸精度係變成很高。
又,在第1實施形態之線性馬達1,使用剛性小之永久磁鐵21及固持框22亦無礙。因此,可使可動子2小型化,且伴隨可動子2之輕量化可實現大的加速度。又,因為可動子2之磨耗亦少,所以可使線性馬達1之壽命變長。
在線性馬達,為了使可動子平滑地移動,如後述所示,一般將線性導軌設置於可動子的側面,但是在第1實施形態之線性馬達1係因為吸力變小,所以線性導軌亦可使用剛性小者,這一點亦有助於線性馬達之小型化及長壽化。
在第1實施形態之線性馬達1,使可動子2的長度比後軛3及電樞4的長度更短,以求實現更進一步之小型化、輕量化與高速化。
以下,說明本發明者所製作之第1實施形態的線性馬達1之具體的構成、與所製作之線性馬達1的特性。
首先,製作可動子2。從Nd-Fe-B系的稀土類磁鐵(Br
=1.395T、HcJ
=1273kA/m)塊,切割出厚度5mm、寬度12mm、長度82mm之矩形的14個永久磁鐵21。對所切割出的永久磁鐵21在厚度方向激磁。接著,從厚度3mm的SUS板以線切割切割出如第4圖所示的固持框22。將所切割出之固持框22黏著固定於由厚度0.2mm之SUS板所構成的固定板23。然後,以相鄰之永久磁鐵21的磁化方向變成彼此逆向的方式對被塗佈黏著劑之14個永久磁鐵21賦與傾斜角度θ=3.2∘並嵌入固持框22的孔221,而將永久磁鐵21黏著固定於固持框22及固定板23。此處,為了可實現可動子2之輕量化與磁鐵排列之大的剛性之雙全,相對於永久磁鐵21之厚度5mm,將固持框22的厚度作成3mm。
此外,與上述之例子係相異,亦可作成在將對厚度0.5mm之SUS板以沖壓加工鑽孔者重疊6片並藉填隙處理固定的手法,製作固持框22。在此情況,圖謀降低製作費用。
接著,製作後軛3。第6圖係表示在第1實施形態之線性馬達1的後軛3之側面形狀的圖。
從軟鋼(JIS規格G3101 種類記號SS400材料)切削出具有如第6圖所示之尺寸的塊,再製作等間距(15.12mm)地具有18個同一形狀之磁極齒31(寬度:6mm、高度:3mm、長度:82mm、磁極面積492mm2
)的後軛3。
然後,製作電樞4。第7圖係表示在第1實施形態之線性馬達1的電樞4之製作所使用之電樞材料的平面圖。從厚度0.5mm的矽鋼板(JIS規格C2552 種類記號50A800材料)切割出164片形成如第7圖所示之形狀的電樞材料44,將所切割出之164片重疊並以CO2
雷射使側面熔化成一體,而得到寬度82mm、高度31mm、長度263.04mm的塊體(在鐵心41等間距(15.12mm)地具有18個同一形狀之磁極齒42(寬度:6mm、高度:25mm、長度:82mm、磁極面積492mm2
)的構成)。
接著,將繞組插入此塊體。第8圖係表示在第1實施形態之線性馬達1的電樞4之繞組的圖。將直徑2mm之搪瓷塗層導線捲繞17圈者浸漬於清漆並固定於電樞4之各磁極齒42的臂部,藉此,作成驅動線圈43。
第8圖中之U、V、W係分別表示3相交流電源的U相、V相、W相,各相的線圈係都採用串聯。以U線圈、V線圈、W線圈係配線成從上觀察時電流在順時鐘方向流動,-U線圈、-V線圈、-W線圈係配線成從上觀察時電流在逆時鐘方向流動的方式,製作電樞4。而且,對各6個U線圈、V線圈、W線圈、-U線圈、-V線圈、-W線圈進行星形配線,再與3相交流電源連接。
然後,使用治具將所製作之後軛3及電樞4固定成將兩者的間隔保持於固定的6mm。此外,固定成後軛3與電樞4的間隙成為6mm,但是採用此間隙係在組裝線性馬達1後可調整之構造。接著,在將線性導軌(未圖示)安裝於可動子2的側面後,以與後軛3及電樞4各自隔著既定距離的方式將厚度5mm的可動子2插入後軛3及電樞4的間隙,而製作了線性馬達1。在此時,將可動子2與後軛3的磁極齒31之間隙的距離、及可動子2與電樞4的磁極齒42之間隙的距離都作成0.5mm。又,為了可測量吸力,而將測力器設置於線性導軌與電樞4之間。
因為作成可調整後軛3與電樞4之間隙的構造,所以在將可動子2與電樞4(磁極齒42)之間隙的距離作成固定之狀態,可任意地設定可動子2與後軛3(磁極齒31)之間隙的距離,而作成可調整。此外,亦可藉由調整對後軛3及電樞4的間隙之可動子2的插入位置,將可動子2與後軛3(磁極齒31)之間隙的距離、及可動子2與電樞4(磁極齒42)之間隙的距離之比設定成所要之值。
此外,作為調整在電樞4與支撐可動子2的線性導軌之間及電樞4與後軛3之間的間隙之機構,可採用插入間隙調整螺絲來調整高度的機構或藉螺絲插入截面形狀成為錐形的填隙板來調整高度的機構。
第9A圖及第9B圖係表示依此方式所製作之第1實施形態的一例之線性馬達1之構成的圖,第9A圖係其上視圖,第9B圖係其側視圖。在第9B圖,空白箭號係表示永久磁鐵21之磁化方向,實線箭號係表示可動子2之可動方向。又,此線性馬達1之製作規格的細節係如以下所示。
磁極構成:7極6槽 永久磁鐵21之材質:Nd-Fe-B系的稀土類磁鐵(日立金屬製NMX-S49CH材料) 永久磁鐵21的形狀:厚度5.0mm、寬度12mm、長度82mm 永久磁鐵21之間距:12.96mm 永久磁鐵21之傾斜角度:3.2∘ 後軛3的形狀:厚度6.0mm、寬度90mm、長度263.04mm 後軛3的材質:軟鋼(JIS規格G3101 種類記號SS400材料) 磁極齒31的形狀:寬度:6.0mm、高度:3.0mm、長度:82mm 磁極齒31的間距:15.12mm 鐵心41的體格:高度31mm、寬度82mm、長度263.04mm 鐵心41的材質:矽鋼板(JIS規格C2552 種類記號50A800材料) 磁極齒42的形狀:寬度:6.0mm、高度:25mm、長度:82mm 磁極齒42的間距:15.12mm 驅動線圈43的形狀:寬度:15.12mm、高度:23mm、長度:91.12mm 驅動線圈43的捲繞厚度:4.06mm 驅動線圈43之繞組的直徑、圈數:直徑2mm、17圈 繞組電阻(1個):0.0189Ω 可動子2之質量:516.6g
在上述之線性馬達1,可動子2的長度(190mm)係比後軛3及電樞4的長度(都是263.04mm)更短。在後軛3之磁極齒31的間距、在電樞4之磁極齒42的間距係相等,都是15.12mm,磁極齒31及磁極齒42係在可動方向位於相同的位置。
與磁鐵排列相對向的磁極齒31之磁極面的形狀、和與磁鐵排列相對向的磁極齒42之磁極面的形狀係同一尺寸的矩形。即,磁極齒31的寬度(可動方向的尺寸)及磁極齒42的寬度(可動方向的尺寸)係相等,都是6mm,與磁鐵排列相對向之磁極齒31的磁極面積、和與磁鐵排列相對向之磁極齒42的磁極面積係相等,都是492mm2
。
將依此方式所組裝的線性馬達1設置於推力測量用試驗台,藉與可動子2(磁鐵排列)之位置同步的3相交流電源驅動,使可動子2移動,測量了推力與吸力。
第10圖係表示第1實施形態之一例的線性馬達1之對電角度之推力變動的圖表。此推力變動係表示在將驅動磁動勢(=驅動電流的大小×驅動線圈43之圈數)當作1200A的情況之對可動子2的位置之推力(U相、V相、W相之3相合成推力)的變化。在第10圖,橫軸係電角度[∘],縱軸係推力[N]。又,第10圖中a係表示藉電樞4之推力,第10圖中b係表示藉後軛3之推力,第10圖中c係表示整體之推力(藉電樞4之推力與藉後軛3之推力的總和推力)。如第10圖所示,得知在整個區域可得到大致固定之大的推力。
第11圖係表示第1實施形態之一例的線性馬達1之推力特性的圖表。此推力特性係表示改變對驅動線圈43之作用電流的情況之特性。在第11圖,橫軸係驅動磁動勢[A],左縱軸係推力[N],右縱軸係推力磁動勢比[N/A]。又,第11圖中a係表示推力,第11圖中b係表示推力磁動勢比。在此線性馬達1,推力比例極限(推力磁動勢比降低10%)在驅動磁動勢為1200A時是1000N。
第12圖係表示第1實施形態之一例的線性馬達1之吸力特性的圖表。此吸力特性係表示改變對驅動線圈43之作用電流的情況之特性。在第12圖,橫軸係驅動磁動勢[A],縱軸係吸力[N]。此外,吸力係表示在+側向電樞4側吸引可動子2,在-側向後軛3側吸引可動子2。因應於驅動磁動勢之增加,吸力亦逐漸變大,例如,在驅動磁動勢是1200A的情況,以約290N之吸力向後軛3側吸引可動子2。
而,為了在與習知之線性馬達比較下評估第1實施形態之線性馬達1,作為習知例,製作了2種線性馬達(第1習知例與第2習知例),並測量那些線性馬達的特性(推力與吸力)。
首先,說明第1習知例的構成。第13圖係表示第1習知例之線性馬達之構成的側視圖。第1習知例係具有依據專利文獻1或2之構成的線性馬達(一體型線性馬達)。
第1習知例之線性馬達50係具有使磁鐵排列52與後軛53一體化而成的可動子51、與隔著間隙和可動子51相對向配置的電樞54。在第1習知例,磁鐵排列52係作用為定子。
磁鐵排列52的構成係與上述之可動子2之磁鐵排列的構成相同。即,磁鐵排列52係以將複數個矩形之永久磁鐵55以等間距固持地固定於非磁性的固持框,並在可動方向(第13圖之左右方向)設置的方式所構成,各永久磁鐵55係在厚度方向(第13圖之上下方向)被磁化,在相鄰的永久磁鐵55、55之間其磁化方向係反向。在第1習知例之線性馬達50,此磁鐵排列52黏著於軟鋼製之平板形的後軛53。又,電樞54的構成係與上述之電樞4的構成相同,在可動方向以等間距將複數個磁極齒57成一體地設置於鐵心56,並將驅動線圈58捲繞於各磁極齒57。
第14A圖及第14B圖係表示這種第1習知例之線性馬達50之構成的圖,第14A圖係其上視圖,第14B圖係其側視圖。在第14B圖,空白箭號係表示永久磁鐵55之磁化方向,實線箭號係表示可動子51之可動方向。此外,可動子51與電樞54之間隙的大小係作成0.5mm或1mm。此線性馬達50之製作規格的細節係如以下所示。
磁極構成:7極6槽 永久磁鐵55之材質:Nd-Fe-B系的稀土類磁鐵(日立金屬製NMX-S49CH材料) 永久磁鐵55的形狀:厚度5.0mm、寬度12mm、長度82mm 永久磁鐵55之間距:12.96mm 永久磁鐵55之傾斜角度:3.2∘ 後軛53的形狀:厚度6.0mm、寬度90mm、長度190mm 後軛53的材質:軟鋼(JIS規格G3101 種類記號SS400材料) 鐵心56的體格:高度31mm、寬度82mm、長度263.04mm 鐵心56的材質:矽鋼板(JIS規格C2552 種類記號50A800材料) 磁極齒57的形狀:寬度:6.0mm、高度:25mm、長度:82mm 磁極齒57的間距:15.12mm 驅動線圈58的形狀:寬度:15.12mm、高度:23mm、長度:91.12mm 驅動線圈58的捲繞厚度:4.06mm 驅動線圈58之繞組的直徑、圈數:直徑2mm、17圈 繞組電阻(1個):0.0189Ω 可動子51(磁鐵排列52+後軛53)之質量:1321.01g
可動子51(磁鐵排列52及後軛53之一體化構成)之在可動方向(第13圖之左右方向)的長度係比在電樞54的長度更短,此長度的差值成為線性馬達50之可動作的行程。
其次,說明第2習知例。第15圖係表示第2習知例之線性馬達之構成的側視圖。第2習知例係具有依據專利文獻3~6之構成的線性馬達(分離型線性馬達)。此外,在第15圖,僅有磁鐵排列62係為了了解磁鐵的配置而表示從與可動方向平行之方向的截面。
第2習知例之線性馬達60係具有磁鐵排列62、隔著間隙與磁鐵排列62相對向配置的後軛63、以及隔著間隙在與後軛63係相反側與磁鐵排列62相對向配置的電樞64。僅磁鐵排列62作用為可動子,後軛63及電樞64係作用為定子。
磁鐵排列62的構成係與上述之可動子2之磁鐵排列的構成相同。即,磁鐵排列62係以將複數個矩形之永久磁鐵65以等間距固持地固定於非磁性的固持框,並在可動方向(第15圖之左右方向)設置的方式所構成,各永久磁鐵65係在厚度方向(第15圖之上下方向)被磁化,在相鄰的永久磁鐵65、65之間其磁化方向係反向。是軟鋼之軛63不僅係與磁鐵排列62不相對向之側的面,而且與磁鐵排列62相對向之側的面亦是平板狀,如第1實施形態之線性馬達1的磁極齒係不存在。又,電樞64的構成係與上述之電樞4的構成相同,在可動方向以等間距將複數個磁極齒67成一體地設置於鐵心66,並將驅動線圈68捲繞於各磁極齒67。
第16A圖及第16B圖係表示這種第2習知例之線性馬達60之構成的圖,第16A圖係其上視圖,第16B圖係其側視圖。在第16B圖,空白箭號係表示永久磁鐵65之磁化方向,實線箭號係表示磁鐵排列62(可動子)之可動方向。此外,磁鐵排列62與後軛63之間隙的大小、及磁鐵排列62與電樞64之間隙的大小係都作成0.5mm。又,此線性馬達60之製作規格的細節係如以下所示。
磁極構成:7極6槽 永久磁鐵65之材質:Nd-Fe-B系的稀土類磁鐵(日立金屬製NMX-S49CH材料) 永久磁鐵65的形狀:厚度5.0mm、寬度12mm、長度82mm 永久磁鐵65之間距:12.96mm 永久磁鐵65之傾斜角度:3.2∘ 後軛63的形狀:厚度6.0mm、寬度90mm、長度215mm 後軛63的材質:軟鋼(JIS規格G3101 種類記號SS400材料) 鐵心66的體格:高度31mm、寬度82mm、長度263.04mm 鐵心66的材質:矽鋼板(JIS規格C2552 種類記號50A800材料) 磁極齒67的形狀:寬度:6.0mm、高度:25mm、長度:82mm 磁極齒67的間距:15.12mm 驅動線圈68的形狀:寬度:15.12mm、高度:23mm、長度:91.12mm 驅動線圈68的捲繞厚度:4.06mm 驅動線圈68之繞組的直徑、圈數:直徑2mm、17圈 繞組電阻(1個):0.0189Ω 可動子(磁鐵排列62)之質量:516.6g
磁鐵排列62之在可動方向(第15圖之左右方向)的長度係比在電樞64的長度更短,此長度的差值成為線性馬達60之可動作的行程。
說明在上述之第1習知例、第2習知例以及第1實施形態的一例之特性(推力與吸力)的比較。
第17圖係表示在第1習知例、第2習知例以及第1實施形態之一例的線性馬達之平均推力的圖表。第17圖係表示將驅動磁動勢設定成1200A的情況之平均推力[N]。又,第18圖係表示在第1習知例、第2習知例以及第1實施形態之一例的線性馬達之平均吸力的圖表。第18圖係表示將驅動磁動勢設定成1200A的情況之平均吸力[N]。此處,平均推力與平均吸力係在從U相電角度0∘至360∘的範圍以15∘的間隔測量(計算)25點之推力與吸力,再算出其平均值。
在第17圖及第18圖,A係在磁鐵排列52、後軛53一體型的第1習知例將可動子51與電樞54的間隙作成0.5mm的線性馬達50(以下亦稱為線性馬達50A),B係在磁鐵排列52、後軛53一體型的第1習知例將可動子51與電樞54的間隙作成1mm的線性馬達50(以下亦稱為線性馬達50B),C係在使磁鐵排列62與後軛53分開的第2習知例將磁鐵排列62與電樞64的間隙、及磁鐵排列62與電樞64的間隙都作成0.5mm的線性馬達60,D係在將磁極齒31形成於與可動子2(磁鐵排列)分開的後軛3之第1實施形態的一例,將可動子2與後軛3之間隙、及可動子2與電樞4之間隙都作成0.5mm的線性馬達1。
在第1習知例之線性馬達50A(圖中之A),雖然最大的推力是1030N,但是吸力係4200N,成為推力之約4倍之大的數值。在作為降低此吸力之對策的線性馬達50B(圖中B),相對所得之推力顯著地降至909N,吸力係3360N,不太降低。因此,理解未成為充分的對策。
在第2習知例之線性馬達60(圖中之C),可得到比較大的推力980N,但是吸力係1712N之大的力,而被後軛63側吸引,未充分地減少吸力。
相對地,在第1實施形態之一例的線性馬達1(圖中D),可得到不比線性馬達50A遜色之大的推力1000N。又,至於吸力,在後軛3側可大幅度地減少至290N(線性馬達50A之約1/14)。因此,在第1實施形態之一例的線性馬達1,證實一面維持大的推力,一面可大幅度地減少吸力。
而,在第1實施形態之一例的線性馬達1,亦如第12圖所示,吸力的大小係根據驅動磁動勢的大小而變。因此,若作成配合常使用之推力區域(驅動磁動勢),調整可動子2與後軛3之間隙的大小,可使吸力變成更小。
在上述之第1實施形態的一例,使可動子2與後軛3之間隙、及可動子2與電樞4之間隙都與0.5mm相等,但是在第1實施形態之其他的例子,可動子2與電樞4之間隙係仍然是0.5mm,而將可動子2與後軛3之間隙作成0.74mm。此外,其他的構成係與上述之一例相同。
第19圖係表示第1實施形態之別的例子之線性馬達1之推力特性的圖表,第20圖係表示第1實施形態之別的例子之線性馬達之吸力特性的圖表。在第19圖,橫軸係驅動磁動勢[A],左縱軸係推力[N],右縱軸係推力磁動勢比[N/A]。又,a係表示推力,b係表示推力磁動勢比。又,在第20圖,橫軸係驅動磁動勢[A],縱軸係吸力[N]。
在別的例子,在驅動磁動勢是1200A的情況,推力係成為978N,比上述之一例稍差,但是至於吸力,在驅動磁動勢是1200A的情況,只有18N,可實現幾乎零。這是可忽略對線性導軌或可動子或周邊的構造物之由吸力所造成的變形或壽命減少之位準的吸力。因此,得知在約1200A之驅動磁動勢使用的情況,別的例子的線性馬達1比上述之一例適合於減少吸力的目的。
又,作為第1實施形態之另外的例子,製作了可動子2與電樞4之間隙係仍然是0.5mm,而將可動子2與後軛3之間隙作成0.66mm的線性馬達1。此外,其他的構成係與上述之一例相同。
第21圖係表示第1實施形態之另外的例子之線性馬達1之推力特性的圖表,第22圖係表示第1實施形態之另外的例子之線性馬達1之吸力特性的圖表。在第21圖,橫軸係驅動磁動勢[A],左縱軸係推力[N],右縱軸係推力磁動勢比[N/A]。又,a係表示推力,b係表示推力磁動勢比。又,在第22圖,橫軸係驅動磁動勢[A],縱軸係吸力[N]。
進而在其他的例子,在驅動磁動勢是1200A的情況,推力係成為984N,比上述之一例稍差,但是至於吸力,在驅動磁動勢是600A的情況,只有5N,可實現幾乎零。得知在約600A之驅動磁動勢使用的情況,進而其他的例子的線性馬達1係最適合於減少吸力。
從以上之事項,因應於頻率高的使用區域,設定可動子2與後軛3的間隙之最佳的大小,可大幅度地減少吸力,而可達成幾乎零。結果,可防止由可動子2(磁鐵排列)之翹曲所引起之尺寸精度的惡化、對線性導軌之由過重負載所造成之壽命的減少等。
此外,在上述之形態,說明了固定可動子2與電樞4之間隙的大小而使可動子2與後軛3之間隙的大小變動的例子,但是亦可與此相反,利用固定可動子2與後軛3之間隙的大小而使可動子2與電樞4之間隙的大小變動的例子、固定後軛3與電樞4之間隙的大小而使可動子2之位置變動的例子等,亦可實現接近零的吸力。
又,在上述之形態,說明了可動子2比電樞4更短之構成的線性馬達1,但是對與此相反,可動子比電樞更長之構成的線性馬達,亦本發明之特徵(將磁極齒形成於後軛)係可應用。
(第2實施形態之基本例)
第23圖及第24圖係表示第2實施形態之線性馬達1之構成例的立體圖及側視圖。此外,在第23圖及第24圖,為了僅可動子2係了解磁鐵的配置,而表示從與可動方向平行之方向的截面。
第2實施形態之線性馬達1係與第1實施形態一樣,包含可動子2、後軛3以及電樞4,後軛3及電樞4係作用為定子。
此外,因為在第2實施形態之線性馬達1之可動子2及電樞4的構成係與在第1實施形態之線性馬達1之可動子2及電樞4的構成相同,所以其說明係省略。
在第2實施形態之線性馬達1,後軛3的構成係與在第1實施形態之線性馬達1的相異。後軛3係包含磁極齒31及底板32。底板32係形成矩形形狀。磁極齒31係被固定於底板32。磁極齒31係被固定成其一部分從底板32突出。突出之部分的形狀係長方體形。複數個磁極齒31係沿著底板32之長度方向,以等間距所配置。磁極齒31係例如如後述所示,由積層矽鋼板所形成。底板32係例如由SS400等之碳鋼所形成。
後軛3與電樞4係被相對向配置成隔著間隙。而且,可動子2被配置於該間隙。可動子2之第一面係隔著間隙與後軛3相對向。與可動子2之第一面相對向的第二面係隔著間隙與電樞4相對向。
如第24圖所示,後軛3及電樞4之在可動方向(第24圖之左右方向)的長度係大致相等。又,在後軛3之磁極齒31的間距係與電樞4之磁極齒42的間矩相等。在後軛3之各磁極齒31的位置係在可動子2的可動方向與電樞4之各磁極齒42的位置相同。又,磁極齒31之磁極面與磁極齒42之磁極面係相同的矩形,並具有相同的面積。又,可動子2與後軛3之間隙係和可動子2與電樞4之間隙大致相等。
在可動子2,相鄰之永久磁鐵21、21的磁化方向成為反向。將可動子2配置於後軛3與電樞4之間隙時,成為交互地配置在從後軛3側往電樞4側之方向被磁化的永久磁鐵21、與從電樞4側往後軛3側之方向被磁化的永久磁鐵21的構成。
在線性馬達1之動作時,在後軛3的磁極齒31與可動子2的永久磁鐵21之間產生吸力。又,在電樞4的磁極齒42與可動子2的永久磁鐵21之間亦產生吸力。作用於可動子2之2種吸力係彼此是相反方向。藉由調整將磁極齒31之磁極面與磁極齒42之磁極面作成相同之矩形或相同之面積的等磁路,吸力之大小係可變成大致相等。藉此,可使在磁極齒31與永久磁鐵21之間所產生的吸力、和在磁極齒42與永久磁鐵21之間所產生的吸力平衡。即,可使2種吸力彼此相抵消。此外,在由於加工誤差、組裝誤差等原因,難使2種吸力平衡的情況,調整磁極齒31與永久磁鐵21的間隔或磁極齒42與永久磁鐵21的間隔,使2種吸力平衡。
如以上所示,第2實施形態之線性馬達1係因為具有與上述之第1實施形態之線性馬達1相同的構成,所以在第2實施形態之線性馬達1,亦與第1實施形態之線性馬達1一樣,可一面維持大的推力,一面可大幅度地減少作用於可動子2的吸力。又,在第2實施形態之線性馬達1,亦與第1實施形態之線性馬達1一樣,可圖謀減少可動子2之起動轉矩。
以下,詳細地說明是第2實施形態的特徵之後軛3的構成。第25圖係表示後軛3所含的磁極齒31之構成例的立體圖。磁極齒31係形成截面T字形,並具有從該底部(在第25圖之下側)在短邊方向所突出的2個突出部31a、31a。(因此,在第25圖係作成使H字形橫躺的形狀)突出部31a、31a係與後述之鳩尾槽321之凹部32a、32a卡合的部位。在線性馬達1之動作時,磁極齒31之短邊方向係成為與可動子2之可動方向平行的方向。
磁極齒31係將磁極片311積層而成。磁極片311係包含切掉矩形的板狀之一部分所形成之卡合用的突出部311a。磁極片311係由具有軟磁性之矽鋼等的薄板所形成。所積層之磁極片311彼此的固定係藉熱熔接或填隙等進行。在熱熔接的情況,係例如,首先,在將在磁極片311之表面塗佈熱硬化性之黏著劑或附加熱熔接性之塗膜者積層後,對板面一面施加壓力一面加熱。藉加熱固定磁極片311之間。
此外,使構成磁極齒31之磁極片311的板厚變成愈薄,即愈增加磁極片311之片數,渦電流損失係愈減少。若考慮強度或組裝的勞力與時間,磁極片311之板厚係作成約0.2~0.5mm為佳。構成磁極齒31之磁極片311的片數或板厚係因應於所要求之規格,適當地設計即可。
第26圖係表示後軛3所含的底板32之構成例的局部立體圖。第26圖係為了便於說明,畫成使上下方向與第24圖及第25圖相反。底板32係沿著短邊方向設置鳩尾槽321。鳩尾槽321係作成與磁極片311之突出部311a(磁極齒31之突出部31a)對應的形狀。鳩尾槽321係具有與突出部311a(突出部31a)對應的凹部32a。如第24圖及第25圖所示,複數個鳩尾槽321被形成於底板32。複數個鳩尾槽321係沿著可動子2之可動方向,以等間距所設置。複數個鳩尾槽321之排列方向係在線性馬達1動作時,與可動子2之可動方向平行的方向。
第27圖係表示後軛3的局部立體圖。與第26圖一樣,為了便於說明,畫成使上下方向與第24圖及第25圖相反。在後軛3,磁極齒31之突出部31a係與鳩尾槽321卡合。
磁極齒31之對底板32的固定係例如如以下所示進行。將黏著劑塗佈於鳩尾槽321與磁極齒31之一方或雙方。使用治具等,進行將磁極齒31嵌入鳩尾槽321的定位。黏著劑變硬後,拆下治具。此外,固定方法係不限定為此。只要可固定成磁極齒31之間距、或磁極齒31之自底板32的突出量位於既定誤差範圍內,亦可是其他的方法。
線性馬達1係藉由對電樞4的驅動線圈43施加3相交流,產生在電樞4之磁極齒42、可動子2之永久磁鐵21以及後軛3之磁極齒31流動的磁通。藉所產生之磁通在可動子2與電樞4之間所產生的吸力、及在可動子2與後軛3之間所產生的吸力成為可動子2的推力,而可動子2移動。
其次,說明渦電流之減少。第28圖係表示線性馬達1的局部側視圖。在第28圖,以實線之箭號表示磁通之流向的一例,並以點線之箭號表示渦電流之一例。如第28圖所示,在磁極齒31,磁通係在紙面上下方向流動。即,在與構成磁極齒31之磁極片311的板面平行的方向流動。渦電流係欲在與磁通之流動方向垂直的平面上妨礙磁通之變化的方向流動。即,在第28圖所示的情況,欲在對磁通之流動方向正交並逆時鐘的方向流動。此渦電流的方向係欲貫穿構成磁極齒31之磁極片311之板面的方向。可是,磁極齒31係將複數片磁極片311積層,因為磁極片311間之電阻大,所以可減少渦電流。進而,在對磁極片311之板面(表面)施加絕緣被膜的情況,可更減少在磁極片311之間流動的渦電流。
第29A圖及第29B圖係表示渦電流所造成之焦耳損失之一例的圖表,第29A圖係表示根據相關聯之技術的線性馬達之焦耳損失的圖表,第29B圖係表示在第2實施形態之基本例的線性馬達1之焦耳損失的圖表。根據相關聯之技術的線性馬達與在第2實施形態之線性馬達1之構成的差異係如以下所示。前者係未將磁極齒作成積層構造。例如,在前者之磁極齒係軟磁性體之塊。或亦可底板32與磁極齒31成為一體地以軟磁性體構成。相對地,後者係磁極齒31成為積層構造。除此以外的條件、線性馬達之構造、尺寸及線圈之圈數、以及驅動條件係相同。例如,線圈之驅動電流係70.6A,可動子之移動速度係當作1000mm/s。
第29A圖及第29B圖之橫軸係表示可動子2之位置的電角度。橫軸的單位係度(°)。第29A圖及第29B圖的縱軸係渦電流所造成之焦耳損失。單位係瓦(W)。附加後軛之圖表係表示在後軛之焦耳損失。如第29A圖所示,在根據磁極齒不作成積層構造之相關聯之技術的線性馬達,在後軛之焦耳損失是約80W,而在磁極齒31作成積層構造之第2實施形態的線性馬達1,在後軛3之焦耳損失減少至約50W。
在第29A圖及第29B圖,附加U、V、W之圖表係分別是以絕對值表示在線圈U相、V相、W相所產生之通電所造成的渦電流損失。此外,在第29A圖及第29B圖,對線圈之通電所造成之在線圈的焦耳損失係相同,但是在後軛之焦耳損失出現大的差異。本結果係表示在同一尺寸形狀下,相對磁極齒不作成積層構造的情況,在磁極齒作成積層構造的情況可減少渦電流所造成之焦耳損失的例子,根據線性馬達之大小或線性馬達之速度而渦電流所造成之焦耳損失的絕對值係變化,但是在同一速度之兩者之效果的百分比係被維持。
第2實施形態的線性馬達1係具有如以下所示之效果。磁極齒31係將由矽鋼板所形成之磁極片311積層所構成。因此,渦電流的方向係成為欲貫穿板面的方向。在此時,由於磁極片311之表面的間隙或磁極片彼此的接觸阻力、在磁極片311之表面所形成的氧化皮膜等,在磁極齒31之渦電流方向的電阻係變成比以軟磁性體塊形成磁極齒31的情況大。因此,可減少流至磁極齒31的渦電流。此外,亦可對磁極片311之表面(積層面)施加形成絕緣物質之被覆等的絕緣處理。在施加絕緣處理的情況,可在各矽鋼板間更減少渦電流。
又,在第2實施形態,將後軛3所具有之磁極齒31作成積層構造。例如,在以積層鋼板形成於後軛整體的情況,擔心剛性降低。在此情況,因在與可動子2之間所產生之吸力,在後軛3可發產生翹曲。可是,在基本例,僅磁極齒31作成積層構造,固定磁極齒31之底板32係不作成積層構造。因此,後軛3之翹曲係比根據相關聯之技術(分別以軟磁性體形成磁極齒31與底板32的情況、或藉軟質磁性體一體地形成磁極齒31與底板32的情況)的構成更輕微。 (第2實施形態之第1變形例)
第1變形例係關於將構成後軛3之底板的一部分作成積層構造的形態。第30圖係表示後軛3之其他的構成例的側視圖。後軛3係包含底部33及磁極齒塊34。磁極齒塊34係包含被嵌合部34a及複數個磁極齒31。
第31圖係表示磁極齒塊34之構成例的立體圖。磁極齒塊34係由複數片磁極齒片(板狀構件)341積層而成。磁極齒片341之積層方向係與磁極齒31之排列方向交叉的方向,磁極齒片341係包含被嵌合部341a、連接部341b以及複數個突出部341c。被嵌合部341a係截面形成倒梯形。被嵌合部341a係成為磁極齒塊34之被嵌合部34a的部分。突出部341c係截面形成矩形。複數個突出部341c係在磁極齒片341之長度方向以等間距所形成。突出部341c係成為磁極齒塊34之磁極齒31的部分。連接部341b係在磁極齒片341的高度方向位於被嵌合部341a與突出部341c之間的部分。連接部341b係連接複數個突出部341c。磁極齒片341係例如由矽鋼板所形成。連接部341b係構成成為後軛3之底部分的一部分之積層部分的板狀構件。突出部341c係構成磁極齒31的板狀構件。磁極齒片341係將2個板狀構件作成一體。
第32圖係表示底部33之構成例的立體圖。第32圖所示之底部33係使上下與第30圖所示之底部33的反轉。底部33係形成矩形的板狀。底部33係形成截面為梯形的嵌合槽33a。
磁極齒塊34的被嵌合部34a與底部33的嵌合槽33a嵌合。此外,在底部33,可動子2之可動方向的長度係配合磁極齒塊34之可動方向的長度來設定即可。磁極齒塊34之對底部33的固定係如以下所示進行。在將黏著劑塗佈於嵌合槽33a或被嵌合部34a之一方或雙方後,嵌合。藉此,底部33與磁極齒塊34係被固定。以上之結果,形成後軛3。
其次,說明渦電流之減少。第33圖係線性馬達1之局部側視圖。在第33圖,以實線之箭號表示磁通之流向的一例,並以點線之箭號表示渦電流之一例。關於在磁極齒31之渦電流的減少,因為係與上述之基本例相同,所以省略說明。此處,說明在磁極齒塊34的連接部341b之渦電流的減少。如第33圖所示,在連接部341b,磁通係在紙面左右方向流動。即,在與構成磁極齒塊34之磁極齒片341的板面平行的方向流動。渦電流係欲在與磁通之流動方向垂直的平面上妨礙磁通之變化的方向流動。即,如第33圖所示,欲以磁通之流動方向為軸在逆時鐘方向流動。此渦電流的方向係欲貫穿構成磁極齒塊34之磁極齒片341之板面的方向。可是,磁極齒塊34係將複數片磁極齒片341積層,因為磁極齒片341間之電阻係變大,所以可減少渦電流。進而,在對板面施加絕緣被膜的情況,可更減少在磁極齒片341之間流動的渦電流。
進而,說明連接部341b的高度。如第33圖所示,將連接部341b的高度當作d。在鄰接的磁極齒31之間流動的磁通係在紙面左右方向流動。磁通所流動的路徑係沿著成為最短的路徑。因此,在與磁極齒31相距定值以上之距離的部分係磁通不流動。因此,連接部341b的高度d係只要設定成可使紙面左右方向之磁通充分地流動即可。又,至於磁通不流動之底部33,能以非磁性材料形成。例如,藉高剛性且楊氏模數大的鋁等形成底部33。或者,可使用非磁性不銹鋼或鋁合金等。
第34A圖及第34B圖係表示渦電流所造成之焦耳損失之一例的圖表,第34A圖係表示在基本例的線性馬達1之焦耳損失的圖表。第34A圖係再揭示第29B圖的。第34B圖係表示在第1變形例的線性馬達1之焦耳損失的圖表。相對基本例係磁極齒31成為積層構造,而在第1變形例,磁極齒及底板的一部分成為積層構造。除此以外的條件、線性馬達之構造、尺寸及線圈之圈數、以及驅動條件係相同。例如,線圈之驅動電流係70.6A,可動子之移動速度係當作1000mm/s。
如第34A圖所示,在基本例之線性馬達1,在相對於後軛3之焦耳損失是約50W,而在第1變形例的線性馬達1,如第34B圖所示,在後軛3之焦耳損失減少至約2.5W。因為連接部341b是積層構造,所以流至連接部341b之磁通所造成的渦電流亦減少。在第34A圖及第34B圖,附加U、V、W之圖表係分別是以絕對值表示在線圈U相、V相、W相所產生之通電所造成的渦電流損失。此外,在第34A圖及第34B圖,對線圈之通電所造成之在線圈的焦耳損失係相同,但是在後軛之焦耳損失出現大的差異。本結果係表示在同一尺寸形狀下,在僅磁極齒作成積層構造的情況,及磁極齒與後軛之一部分作成積層構造的情況,後者可更減少渦電流所造成之焦耳損失的例子,根據線性馬達之大小或線性馬達之速度而渦電流所造成之焦耳損失的絕對值會變化,但是在同一速度之兩者之效果的百分比係被維持。
在第1變形例的線性馬達1,磁極齒塊34係將矽鋼板(磁極齒片341)積層所構成。線性馬達1係不僅對磁極齒31,而且對從後軛3之與磁極齒31的連接部分開始將厚度方向的一部分作成積層構造。因此,在鄰接的磁極齒31之間流至連接部341b的磁通係與磁極齒片341之表面平行的方向。藉磁通的流動所產生之渦電流的方向係成為欲貫穿磁極齒片341之板面的方向。可是,由於磁極齒片341之表面的間隙或或在其表面所形成的氧化皮膜等,在連接部341b之渦電流方向的電阻係變成比不作成積層構造的情況大。因此,可減少流至連接部341b的渦電流。因此,可更減少流至後軛3的渦電流。
又,在第1變形例,不僅第1基本例所具有之上述的效果,而且具有如下之效果。因為能以非磁性材料形成是後軛3之一部分的底部33,所以能以楊氏模數大的材料,例如氧化鋁構成。因此,因為後軛3整體的剛性增加,所以可減輕在與可動子2之間所產生之吸力所造成的翹曲。進而,根據底部33的材質,在剛性超過對後軛3整體所要求之剛性的情況,可使後軛3變薄。 (第2實施形態之第2變形例)
第2變形例係關於將構成後軛3之底板32的一部分作成積層構造的形態。第35圖係表示後軛3之其他的構成例的側視圖。後軛3係包含複數個後軛單元301及後軛單元302。後軛單元301係包含底部35及磁極齒單元36。後軛單元302係包含底部35及磁極齒單元37。後軛單元301與後軛單元302之差異係所含之磁極齒單元的差異。將後軛3之一端部作為後軛單元301,並將另一端部作為後軛單元302。藉此,如第35圖所示,可構成在兩端部具備磁極齒31的後軛3。
第36A圖及第36B圖係表示磁極齒單元36、37之構成例的立體圖,第36A圖係表示磁極齒單元36之構成例,第36B圖係表示磁極齒單元37之構成例。磁極齒單元36係包含形成梳齒狀的複數個磁極齒31及被嵌合部36a。磁極齒31係截面形成矩形。被嵌合部36a係截面形成倒梯形。
磁極齒單元36係由複數片磁極齒片(板狀構件)361積層而成。磁極齒片361之積層方向係與磁極齒31之排列方向交叉的方向,磁極齒片361係包含被嵌合部361a、連接部361b以及複數個突出部361c。被嵌合部361a係截面形成倒梯形。被嵌合部361a係成為磁極齒單元36之被嵌合部36a的部分。突出部361c係截面形成矩形。複數個突出部361c係在磁極齒片361之長度方向以等間距所形成。突出部361c係成為磁極齒單元36之磁極齒31的部分。連接部361b係在磁極齒片361的高度方向位於被嵌合部361a與突出部361c之間的部分。連接部341b係連接複數個突出部361c。磁極齒片361係例如由矽鋼板所形成。連接部361b係構成成為後軛3之底部分的一部分之積層部分的板狀構件。突出部361c係構成磁極齒31的板狀構件。磁極齒片361係將2個板狀構件作成一體。
磁極齒單元37係由複數片磁極齒片371積層而成。磁極齒片371之積層方向係與磁極齒31之排列方向交叉的方向,磁極齒片371係與磁極齒片361大致相同的構成。在以下,主要說明磁極齒片371與磁極齒片361的相異點。磁極齒片371係包含被嵌合部371a、連接部371b以及複數個突出部371c。磁極齒片361之連接部361b係在長邊方向之一方的端部,在長邊方向突出。相對地,磁極齒片371之連接部371b係在長邊方向之兩端部,並在長邊方向未突出。磁極齒片371之其他的構成係因為與磁極齒片361相同,所以省略說明。
第37圖係表示底部35之構成例的立體圖。第37圖所示之底部35係使上下與第35圖所示之底部35的反轉。底部35係形成矩形的板狀。底部35係形成截面為梯形的嵌合槽35a。
磁極齒單元36的被嵌合部36a或磁極齒單元37的被嵌合部37a與底部35的嵌合槽35a嵌合。此外,在底部35,可動子2之可動方向的長度係配合磁極齒單元36或磁極齒單元37之可動方向的長度來設定即可。底部35與磁極齒單元36或磁極齒單元37的固定係如以下所示進行。在將黏著劑塗佈於嵌合槽35a與被嵌合部361a或被嵌合部371a之一方或雙方後,嵌合。藉此,底部35與磁極齒單元36或磁極齒單元37係被固定。以上之結果,形成後軛單元301或後軛單元302。而且,因應於線性馬達1之行程,選擇後軛單元301的個數,並將複數個後軛單元301及1個後軛單元302結合,藉此,如第35圖所示,形成後軛3。各個後軛單元301及後軛單元302係根據周知的方法結合,例如以矩形的板狀構件固定後軛單元301及302之背面即可。
在第2變形例的線性馬達1,磁極齒單元36及37係將矽鋼板(磁極齒片361及371)積層所構成。線性馬達1係不僅對磁極齒31,而且對從後軛3之與磁極齒31的連接部分開始將厚度方向的一部分作成積層構造。因此,在鄰接的磁極齒31之間流至連接部361b及371b的磁通係與磁極齒片361及371之表面平行的方向。藉磁通的流動所產生之渦電流的方向係成為欲貫穿磁極齒片361及371之板面的方向。可是,由於磁極齒片361及371之表面的間隙或或在其表面所形成的氧化皮膜等,在連接部361b及371b之渦電流方向的電阻係變成比不作成積層構造的情況大。因此,可減少流至連接部361b及371b的渦電流。因此,可更減少流至後軛3的渦電流。
又,在第2變形例,不僅具有第1基本例所具有之上述的效果,而且具有如下之效果。因為能以非磁性材料形成是後軛3之一部分的底部35,所以能以楊氏模數大的材料,例如氧化鋁構成。因此,因為後軛3整體的剛性增加,所以可減輕在與可動子2之間所產生之吸力所造成的翹曲。進而,根據底部35的材質,在剛性超過對後軛3整體所要求之剛性的情況,可使後軛3變薄。又,在第2變形例,藉由使後軛3所含之後軛單元301的個數可變,可改變線性馬達1的行程。
此外,後軛單元301、302各自所具備之磁極齒31係當作5個,但是不限定為此。底部35係當作具備磁極齒單元36或磁極齒單元37,但是不限定為此。磁極齒單元36及磁極齒單元37係各自具備個數相同的磁極齒31,但是不限定為此。
(第2實施形態之第3變形例)
第3變形例係在第2變形例,關於將底部35作成一片板的構成。第38A圖係表示後軛3之其他的構成例的側視圖。後軛3係包含底部33、複數個磁極齒單元36以及磁極齒單元37。磁極齒單元36及磁極齒單元37的構成係因為與上述之第2變形例一樣,所以省略說明。
第38B圖係表示底部33之構成例的立體圖。第38B圖所示之底部33係使上下與第38A圖所示之底部33的反轉。底部33係將複數個鳩尾槽(嵌合槽)33a形成於矩形的板狀。鳩尾槽33a的形狀係作成與磁極齒單元36及37之被嵌合部36a及37a對應的形狀。後軛3係在底部33之鳩尾槽33a嵌合於磁極齒單元36及37之被嵌合部36a及37a之後,於底部33之鳩尾槽33a以黏著劑等固定。
在第3變形例,不僅具有第1基本例所具有之上述的效果,而且具有如下之效果。因為能以楊氏模數大的非磁性材料,例如氧化鋁構成是後軛3之一部分的底部33。因此,因為後軛3整體的剛性增加,所以可減輕在與可動子2之間所產生的吸力所造成之翹曲。
在上述之基本例及第1~第3變形例,亦可藉例如樹脂模等之非磁性材料埋入鄰接之磁極齒31間的間隙。藉此,後軛3的強度增加,而可更有效地抑制在與可動子2之間所產生的吸力所造成之後軛3的翹曲。
亦可在上述之基本例的底板32係從磁極齒31的根部與磁極齒31之突出方向係反向(厚度方向)的一部分作成積層構造。換言之,亦可是積層構造之磁極齒31(突出部31a、31a)在將一部分作成積層構造之底板32的積層構造部分,與凹部32a、32a卡合。藉此,與第1變形例及第2變形例一樣,可抑制在可動子2之可動方向流動之磁通所造成的渦電流。
在各實施形態所記載之技術性特徵(構成要件)係可彼此組合,藉由組合,可形成新的技術性特徵。這次所揭示之實施形態係在全部的事項上係舉例表示,應認為不是用以限制者。本發明的範圍係不是上述之意義,而根據申請專利範圍所表示,圖謀包含在與申請專利範圍所同等之意義及範圍內之所有的變更。
1‧‧‧線性馬達
2‧‧‧可動子
3‧‧‧後軛
4‧‧‧電樞
21‧‧‧永久磁鐵
22‧‧‧固持框
23‧‧‧固定板
31‧‧‧磁極齒
32‧‧‧底板
33‧‧‧底部
34‧‧‧磁極齒塊
35‧‧‧底部
36‧‧‧磁極齒單元
37‧‧‧磁極齒單元
41‧‧‧鐵心
42‧‧‧磁極齒
43‧‧‧驅動線圈
221‧‧‧孔
301‧‧‧後軛單元
302‧‧‧後軛單元
311‧‧‧磁極片
341‧‧‧磁極齒片
361‧‧‧磁極齒片
371‧‧‧磁極齒片
第1圖係表示第1實施形態之線性馬達之構成的立體圖。 第2圖係表示第1實施形態之線性馬達之構成的側視圖。 第3圖係表示在第1實施形態之線性馬達的可動子之構成的平面圖。 第4圖係表示在第1實施形態之線性馬達的可動子之構成的分解立體圖。 第5圖係表示在第1實施形態之線性馬達的磁通之流向的側視圖。 第6圖係表示在第1實施形態之線性馬達的後軛之側面形狀的圖。 第7圖係表示在第1實施形態之線性馬達的電樞之製作所使用之電樞材料的平面圖。 第8圖係表示在第1實施形態之線性馬達的電樞之繞組的圖。 第9A圖係表示第1實施形態之線性馬達之構成的上視圖。 第9B圖係表示第1實施形態之線性馬達之構成的側視圖。 第10圖係表示第1實施形態之一例的線性馬達之對電角度之推力變動的圖表。 第11圖係表示第1實施形態之一例的線性馬達之推力特性的圖表。 第12圖係表示第1實施形態之一例的線性馬達之吸力特性的圖表。 第13圖係表示第1習知例(使磁鐵排列與後軛一體化而作為可動子的構成)之線性馬達之構成的側視圖。 第14A圖係表示第1習知例之線性馬達之構成的上視圖。 第14B圖係表示第1習知例之線性馬達之構成的側視圖。 第15圖係表示第2習知例(僅將磁鐵排列作為可動子,並將平板狀之後軛作為定子的構成)之線性馬達之構成的側視圖。 第16A圖係表示第2習知例之線性馬達之構成的上視圖。 第16B圖係表示第2習知例之線性馬達之構成的側視圖。 第17圖係表示在第1習知例、第2習知例以及第1實施形態之一例的線性馬達之平均推力的圖表。 第18圖係表示在第1習知例、第2習知例以及第1實施形態之一例的線性馬達之平均吸力的圖表。 第19圖係表示第1實施形態之別的例子之線性馬達之推力特性的圖表。 第20圖係表示第1實施形態之別的例子之線性馬達之吸力特性的圖表。 第21圖係表示第1實施形態之另外的例子之線性馬達之推力特性的圖表。 第22圖係表示第1實施形態之另外的例子之線性馬達之吸力特性的圖表。 第23圖係表示第2實施形態之線性馬達之構成例的立體圖。 第24圖係表示第2實施形態之線性馬達之構成例的側視圖。 第25圖係表示後軛所含的磁極齒之構成例的立體圖。 第26圖係表示後軛所含的底板之構成例的局部立體圖。 第27圖係表示後軛的局部立體圖。 第28圖係表示線性馬達的局部側視圖。 第29A圖係表示根據相關聯之技術的線性馬達之焦耳損失的圖表。 第29B圖係表示在第2實施形態之基本例的線性馬達之焦耳損失的圖表。 第30圖係表示後軛之其他的構成例的側視圖。 第31圖係表示磁極齒塊之構成例的立體圖。 第32圖係表示底部之構成例的立體圖。 第33圖係線性馬達之局部側視圖。 第34A圖係表示在第2實施形態之基本例的線性馬達之焦耳損失的圖表。 第34B圖係表示在第2實施形態之第1變形例的線性馬達之焦耳損失的圖表。 第35圖係表示後軛之其他的構成例的側視圖。 第36A圖係表示磁極齒單元之構成例的立體圖。 第36B圖係表示磁極齒單元之構成例的立體圖。 第37圖係表示底部之構成例的立體圖。 第38A圖係表示後軛之其他的構成例的側視圖。 第38B圖係表示底部之構成例的立體圖。
Claims (9)
- 一種線性馬達,其特徵為包括:可動子,係具有排列複數個矩形之永久磁鐵的磁鐵排列;作為定子之後軛,係隔著間隙與該可動子相對向配置;以及作為定子之電樞,係隔著間隙在與該後軛係相反側與該可動子相對向配置;該複數個永久磁鐵各自的磁化方向係厚度方向,相鄰的永久磁鐵彼此的磁化方向係反向;該電樞係以等間距具有各自被捲繞驅動線圈的複數個磁極齒;該後軛係在與該可動子相對向的面,在該可動子之可動方向與該電樞之磁極齒相同的位置具有複數個磁極齒;在該後軛之磁極齒的磁極面積係在該電樞之磁極齒的磁極面積的0.9倍~1.1倍,該可動子與該後軛之間隙係和該可動子與該電樞之間隙相等或比較大。
- 如申請專利範圍第1項之線性馬達,其中在該後軛之該磁極齒的高度係該磁極齒之間距的1/20倍以上且2倍以下。
- 如申請專利範圍第1或2項之線性馬達,其中該可動子的長度係比該電樞的長度更短,且比該後軛的長度更短。
- 如申請專利範圍第1項之線性馬達,其中該可動子與該後軛之間隙的大小及/或該可動子與該電樞之間隙的大小係可變。
- 一種線性馬達,其特徵為包括:可動子,係具有排列複數個矩形之永久磁鐵的磁鐵排列;作為定子之後軛,係隔著間隙與該可動子相對向配置;以及作為定子之電樞,係隔著間隙在與該後軛係相反側與該可動子相對向配置;該複數個永久磁鐵各自的磁化方向係厚度方向,相鄰的永久磁鐵彼此的磁化方向係反向;該電樞係以等間距具有各自被捲繞驅動線圈的複數個磁極齒;該後軛係在與該可動子相對向的面,在該可動子之可動方向與該電樞之磁極齒相同的位置具有複數個磁極齒;該後軛所具有之該磁極齒係在與該可動子之可動方向交叉的方向將複數片板狀構件積層而成。
- 如申請專利範圍第5項之線性馬達,其中該後軛係從該磁極齒的根部與該磁極齒之突出方向係反向的一部分由複數片板狀構件在該磁極齒的積層方向積層而成;構成該後軛之積層部分的板狀構件、與構成該磁極齒的板狀構件係成為一體。
- 如申請專利範圍第5或6項之線性馬達,其中該複數片板狀構件係對積層面施加絕緣處理。
- 如申請專利範圍第5項之線性馬達,其中該可動子係具有固持該磁鐵排列的固持構件,該固持構件係具有該複數個永久磁鐵之各個所插入的複數個孔。
- 如申請專利範圍第8項之線性馬達,其中該可動子係具有該固持構件及黏著固定該複數個永久磁鐵之板狀的底材料。
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