JP3834875B2 - Linear motor - Google Patents

Description

となる。
【０００６】
この式から、磁束密度が最も大きい位置で電流密度を大きくしないと効率的に推力として発生しないことがわかる。この状態で磁束密度の分布は永久磁石２で決定されるが、Ｉ（ｙ）は可動部の位置に応じて多相コイル１に流す電流を選択して生成しなくてはならない。しかるに、コイル１に流す最大電流は、コイル線径，断面積，放熱などにより制限されるから、可動部の決められた磁束密度の制約下で最も効率的に推力を発生するためには、磁束密度がピークとなる位置下で電流分布が制限されたピーク値となるような結線及びコイル配置にする必要がある。また、一般的な磁束密度分布を近似的に正弦波分布とした場合、電流分布も正弦波分布として

とすることが同一面積下の制約の中で最も効率的に推力を発生できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例にあっては、特定位置の磁石のギャップの中にある相の電流はピーク電流値にできるが、他の位置の磁石のギャップの中にある相の位置はずらしてあるため電流を大きくできず、同一磁石面積下の推力が大きくできないという問題点がある。
【０００８】
しかも、そればかりでなく、１個の永久磁石下のコイル数が少ないために可動部の位置に応じて電流分布を連続して滑らかに変化させることができないという問題点がある。
【０００９】
また、コイルに電流を流した際の発熱を効率良く冷却して除去することが難しいという問題点もある。
そこで本発明は、このような従来の可動磁石型リニアモータの問題点に着目してなされたものであり、同一磁石面積下の推力を大きくでき、且つ電流分布を連続して滑らかに変化させて推力リップルを低減でき、さらにコイルの発熱を効率よく冷却できる可動磁石型のリニアモータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する請求項１に係る発明は、固定側にコアレスコイル、可動側に永久磁石を配置した多相リニアモータであって、固定側は中空穴を有する多相のコアレスコイルを重ね巻きにしてモータ進行方向に順に配列すると共に、非磁性材からなり、端部が冷却装置に連結される冷却管の中途部分を当該中空穴に通しコイルに密着固定してなり、可動側は異なる極性の磁石を磁気ギャップを介して対向させた永久磁石で前記コアレスコイルを挟み、且つその対をなす磁石の複数組を相隣る磁極の極性が相互に異なるようにしてコイル配列方向にコイル配列ピッチに合わせて複数組配設すると共に、それらの複数組の永久磁石を前記磁気ギャップを保持する支持部材を介して一体に連結してなることを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記可動側の永久磁石は、その磁束密度が進行方向に正弦波状分布となる形状及び／又は取付け角度を有するものとすることができる。
また、二本の前記冷却管を前記中空穴の両サイドに配設することもでき、その場合、前記コアレスコイルの中央部を前記中空穴を潰して密着させることもできる。
図１は、本発明に係るリニアモータの基本構成を示す断面図である。固定側（固定部１０）にコアレスコイル１、可動側（可動部１５）に永久磁石２を配置した多相リニアモータであり、したがって可動体側での発熱はない。このリニアモータの固定側のコアレスコイル１は、例えばＵ，Ｖ，Ｗの３相の場合であれば、これら各相のコイルをモータ進行方向Ｘに順に並べ、同相のコイル同士が一定の間隔Ｌ（ピッチＬ）を保つように配置して重ね巻きで配列されている。すなわち、隣接する同相のコイルの対応する各辺は進行方向にピッチＬだけ隔てて組み立てられると共に、その対応各辺に逆方向の電流を流すように接続され、各コイルのモータ進行方向にほぼ直交するコイルの２辺のうちの１辺は、ピッチＬで隣接する同相コイルの他の１辺に重ねて配置されている。
【００１２】
図２に、このコイル巻線と電流方向とのモデル図を示す。図２（１）は、分かりやすいように各コイル１の巻数を１巻として表しているが、実際は複数巻である。また、３相交流のＵ，Ｖ，Ｗ相の結線を上，中，下段にそれぞれずらすと共に、隣接するコイルの重ねられたコイル辺もずらして記載しているが、実際はこれらＵ，Ｖ，Ｗ相の各結線はモータ進行方向Ｘに重ねられて、例えばスター結線される。これを図のＵ相の結線について具体的に説明すると、矢符号Ｘで示すモータ進行方向に複数個が配列されているコイル１において、モータ進行方向Ｘに直交する二つの辺１a ，１b のうちの一辺１b は、距離Ｌを隔てて隣接している他のコイル１の一辺１a に重ねられている。いま各コイル１の二辺１a ，１b を流れる電流の方向と大きさをそれぞれ矢符号ｉa ，ｉb で表すと、隣接するコイル１の対応する各辺１a ，１a （１b ，１b ）には大きさが等しい逆方向の電流を流すように結線されているため、同相の重ねられたコイル辺１b ，１a を流れる電流ｉb ，ｉa は同一方向である。
【００１３】
図２（１）には、このスター結線されたＵ，Ｖ，Ｗの三相を、図示しない各相毎の駆動用アンプで三相対称電流駆動する際、ある瞬間の電流値がＵ：Ｖ：Ｗ＝２：−１：−１（流入方向を＋とする）の比率で流れているときの各コイルの電流方向と大きさとを、各コイル上に矢符号ｉで示している。このように電流を流しているときの各位置での電流密度分布を、図２（２）に示す。本発明の重ね巻きされた多相のコアレスコイルをこのように結線して電流を流すことにより合成された電流分布は、ピッチ２Ｌの正弦波状の分布になる。
【００１４】
本発明の上記各コイル１は中空穴を有しており、その中空穴に通してコイルに密着させた非磁性材からなる冷却管でコイルの固定と冷却が行われる。かくして、本発明はコイルの発熱を直接冷却管で吸収して効率よく冷却することができる。
【００１５】
本発明のリニアモータの可動部１５は、以上のように配列して結線されているコイル列を磁気ギャップを介して挟むようにして、モータ進行方向Ｘの両側に配置された複数個の永久磁石２を備えている。それらの永久磁石２は、コイル列を挟んで磁性の異なる磁極同士を対向させたものを一対とし、その対向する磁極間の磁束がコイル１を貫通するように配置されている。また、その対をなす複数組（図１では二組）の磁石を、相隣る磁極の極性が相互に異なるようにしてコイル配列方向に配設している。図１では、コイル列の両側に４個の永久磁石２を配し、相隣る異なる磁性の２個の永久磁石２，２同士を、コイル配列ピッチＬと同じ間隔Ｌで配列して共通の磁性体板（磁石プレート）３に接着等の手段で一体に固着しているが、この４個の磁石配置を例えば８個の永久磁石を用いて連続して繰り返すことにより、固定部１０の磁束ピッチは２Ｌとなる。
【００１６】
コイル列を挟んで対向させた上記複数組の永久磁石２は、磁気ギャップを確保するべく上下の磁性体板３の間に組み込まれた支持部材（１６）を介して一体に保持されて可動部１５を構成している。
【００１７】
本発明にあっては、後述するように、磁石プレート３に固着する永久磁石２の形状をギャップ面からみて（磁束の流れる方向からみて）菱形にしたり、台形形状にしたり、平行四辺形にしたり、或いは永久磁石２を貼り付ける角度を傾けたりすることにより、可動部の磁束密度分布を正弦波状にすることができる。
【００１８】
かくして本発明のリニアモータによれば、可動部の磁束密度分布が正弦波であり、前述したコイルの電流分布が正弦波であることと相まって、可動部の位置に応じて電流分布を連続して滑らかに変化させることができ、リニアモータの推力リップルを低減することができる。
【００１９】
また、一個の永久磁石の面積下のコイル数を多くできるから、同一磁石面積下の推力を大きくできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図３ないし図９は本発明の第１の実施形態を示したものである。なお、従来と同一又は相当部分には同一の符号を付してある。
【００２１】
先ず構成を説明すると、三相のリニアモータの固定部１０には、中空穴を有するコアレスコイル１がモータ進行方向Ｘに複数個配列されている。各コイル１はその中空穴に二本の例えば銅パイプ製の冷却管１２の中途部を通して、おのおの接着剤で固定されている。コイル１は、三相の電流を流すＵ，Ｖ，Ｗの各相のコイルがあり、Ｘ方向に順に並べて、先に述べたように重ね巻きで配置されている。なお、コイル１における同相コイルの重なりは完全に一致していなくてもよい。むしろ、電流分布を滑らかにするために多少ずれていても良い。
【００２２】
各コイル１の中央部は、磁気ギャップが最小となるようにプレス成形され、中空穴を潰して接着剤で接着されている。冷却管１２は、図示しない冷却装置に連結され、循環する冷媒によってコイル１の発熱を吸収除去するようになっている。この固定部１０は、図外のモータ基台上に固定して設置される。
【００２３】
可動部１５は、上記コイル１のプレスされた中央部を挟んで上下両側に配した複数の永久磁石２と、その永久磁石２を接着固定した磁性体からなる磁石プレート３と、上下の磁石プレート３の間に介装され、コイル１を挟んで対向する各永久磁石２の磁極間の磁気ギャップを確保している支持部材１６とを備えている。永久磁石２の配列は、先に図１を用いて述べたものと同じである。
【００２４】
この可動部１５は、例えば直動案内軸受装置（リニアガイド装置）や、静圧気体軸受装置（エアスライド）、またはボールスプライン装置等の直動案内手段で支持されＸ方向に滑らかに移動可能である。
【００２５】
このリニアモータは、さらに、可動部１５の永久磁石と固定部１０のコイル位置との位相関係を検出するために例えばＡＣサーボモータで通常使用されるＵＶＷ極検出センサ、可動部１５の位置を検出するリニアスケール位置検出器、駆動指令と位置検出器からのフィードバック信号に基づき推力指令を生成する制御回路、ＵＶＷ極検出センサの信号とリニアスケール位置検出器の信号とに基づき三相正弦波電流波形を出力する三相正弦波発生器、この三相正弦波発生器から出力された三相正弦波電流波形と前記推力指令とを積算してＵＶＷの三相コイルの電流を制御する三相アンプ回路とを備えて、位置決めあるいは駆動を行うように構成されている。
【００２６】
図６にこの実施形態のリニアモータの駆動制御ブロック図を示す。
図の点線１内がリニアモータの負荷ブロックで、Ｍは可動部１５の質量、ｓはラプラス変換子である。点線２内は三相アンプ回路２０である。また、Ｋｐは位置比例器の位置ループゲイン、Ｋｖは速度比例器の速度ループゲイン、Ｋｔはリニアモータのトルク定数である。この制御回路により、可動部１５の位置を検出する位置検出器（リニアスケール）２１からの位置情報をもとに、可動部１５の速度及び位置を算出して、リニアモータのＵＶＷ三相のコイル電流のフィードバック制御を行う。ここでは定電流制御を行っているので、逆起電力定数は省略した。すなわちフィードバック情報に基づいて制御回路から発信された推力指令は三相アンプ回路２０に入力され、三相アンプ回路２０はその推力指令により三相のコイル１と永久磁石２との位置関係に応じた三相電流制御を行う。
【００２７】
図７は上記三相アンプ回路２０のブロック図である。このアンプ回路は、ＵＶＷ極検出センサ２２からの信号とリニアスケール２１からの位置信号（Ａ／Ｂ相）とを入力するピッチ２Ｌの周期のリングカウンタ２３と三相波形を記憶した三個のＲＯＭ２４とその波形信号をデジタル／アナログ変換するＩＣ２５とでなる三相正弦波発生器２６を備えている。
【００２８】
次に作用を説明する。
まず、可動部１５の永久磁石２と固定部１０のコイル位置との位相関係を検出したＵＶＷ極検出センサ２２からの信号、及びリニアスケール２１からのＡＢ相信号を、位置に応じた三相正弦波電流波形を生成するために、三相正弦波発生器２６のリングカウンタ２３に入力し、そのリングカウンタ２３からの位置情報を三個のＲＯＭ２４に入力する。このＲＯＭ２４からの波形信号をデジタル／アナログ変換ＩＣ２５でアナログ信号に変換する。その変換した三波形を、制御回路からの推力指令と乗算し、必要な推力に比例した三相電流波形として三組の定電流アンプ２８に入力する。各定電流アンプ２８はＵＶＷの三相の各コイル１に、制御されたコイル電流を流す。こうして、位置指令，制御指令に応じて三相電流波形が制御でき、電流分布の正弦波化及び磁束密度分布の正弦波化を行うことにより、推力指令に比例すると共に位置による推力リップルの少ない安定したリニアモータ駆動が達成される。
【００２９】
上記のモータ駆動時に、推力指令を一定にしたときの変位に対するＵＶＷ三相の電流波形を図８に示す。また、変位に対する推力の測定データを図９に示す。これから、本発明のリニアモータにより推力リップルの少ないという特性が得られることが明らかである。
【００３０】
上記実施形態では、コアレスコイルの冷却構造として、非磁性材である銅製の丸パイプからなる二本の冷却管１２を使用したものを示している。このように二本の冷却管１２をコアレスコイル１の中空穴の両サイドに配設すると、コイル中央を貫通する対向永久磁石２，２の磁束は、冷却管１２を貫通しない。それ故に、冷却管１２が非磁性材であっても、永久磁石２，２の移動に伴って渦電流が発生することがなく、従って可動部への粘性抵抗が生じない。
【００３１】
もっとも、本発明のリニアモータにおけるコイル冷却構造をこれに限定するものではない。図１０〜図１３に、コアレスコイルの冷却構造の他の例を示す。
図１０のものは、冷却管１２が一個で、コイル１の内面全面に接触させて発熱を吸収する構造である。コイルとの接触面積が最大になり、且つ冷却管１２を非磁性金属製にした場合には、コイル１の内側の磁束に対しショートコイルとして機能するため、駆動アンプ側からみた各相コイルのインダクタンスが小さくなり、電流指令に対する電流の追従性が良くなるという利点がある。
【００３２】
図１１のものは、二本の冷却管１２を使用しているが、その配管断面を角形にした構造である。断面円形のものよりコイル１を偏平にする（中空穴１１の短径を小さくする）ことができてコイル１を挟む永久磁石の磁気ギャップをより小さくすることが可能で、且つコイルとの接触面積が大きくできる利点がある。二本の冷却管１２をコアレスコイル１の両サイドに配設した利点は、上述した断面円形の場合と同様である。
【００３３】
図１２のものは、図１０に示すもののコイル中央部をプレス成形して密着させた構造である。コイル１を挟む永久磁石の磁気ギャップを小さくすることができるので同じ永久磁石２を用いても磁束密度がより高められ、ひいては推力が増大するという利点がある（推力が必要のない場合には、磁石の厚さを薄くできる）。また、コイルとの接触面積がプレス成形しないものより大きくできるので冷却性能が高められる利点もある。
【００３４】
図１３のものは、図１０に示す一個の冷却管１２を分割したもので、複数本（８本）の冷却管１２を互いに電気的に絶縁してコイル１の中空穴１１の長径一杯に密着固定した構造である。図１０のもので永久磁石２の移動に伴い発生する渦電流を減少できて、可動部へ働く粘性抵抗をすくなくできるという利点がある。
【００３５】
続いて、図１４〜図１６に本発明のリニアモータの第２の実施形態を示す。
この実施形態では、上記図１０に示すコイル冷却構造を採用している。また、可動部１５には合計８個の永久磁石２を使用し、そのうちの４個の永久磁石２を隣接する極性が交互で且つ同極性の磁極間のピッチが２Ｌとなるように配列して磁石プレート３に固着している。
【００３６】
一個の冷却管１２をコイル列の内面全面に接触させて発熱を吸収するので高い冷却効率が得られる。その冷却管１２を非磁性金属例えば銅製にするとショートコイルとしても機能するため、電流指令に対する電流の追従性が良くなる等の効果を奏する。
【００３７】
その他の作用効果は、第１の実施形態のものとほぼ同様である。
なお、本発明のリニアモータにおけるコイル冷却管は、その外周部に、コイル位置決め用の突起又はピン等を設けてもよい。
【００３８】
また、コイル冷却管は、コイルとの電気的絶縁のため各種の合成樹脂，シリコン等の絶縁塗装を施したり，絶縁紙を巻いたり、あるいは管をアルミにした場合には電気的絶縁と冷却機能を両立させるべくアルマイト処理することができる。
【００３９】
また、コイルの冷却管として、ヒートパイプを使用してもよい。
また、固定部のコイルと冷却管とを一体に樹脂モールド成形して強度を向上させることもできる。
【００４０】
ここで、本発明のリニアモータにおける可動部１５の永久磁石２の形状・取付け角度が磁束密度分布に及ぼす影響について詳説する。
上記第１，第２の各実施形態にあっては、可動部１５の永久磁石２の形状等については特に触れなかったが、その形状や配列パターンが可動部１５の磁束密度分布に影響を与える。図１７〜図２０は、可動部１５の磁束密度分布が正弦波となるような磁石形状の例を示したもので、いずれも、永久磁石２の磁気ギャップ面から見た形状である。
【００４１】
図１７，図１８のものは台形の永久磁石２の四個の配列、図１９のものは菱形の永久磁石２の二個の配列、図２０のものは平行四辺形の永久磁石２の二個の配列である。このような磁石形状・配置を採用することにより、可動部１５の磁束密度分布を正弦波状にすることができる。
【００４２】
図２１のものは、磁気ギャップ面が標準的な長方形形状の二個の永久磁石２，２を、リニアモータ進行方向に対し傾けて（スキューさせて）配列した場合である。図２２に示すように、標準的な長方形形状の二個の永久磁石２，２を、傾けずに長辺がリニアモータ進行方向に対し直交するように配置した場合には、そのＡ−Ａ’断面の磁束密度分布は、図２３のように正弦波に高調波が含まれたパターンになる。
【００４３】
これに対して、永久磁石２を図２１のようにリニアモータ進行方向に傾けると、ＡＡ’断面では上記図２３のような磁束密度分布をしているが、磁石全体の進行方向への合計磁束密度分布は上記図２３の磁束密度分布を磁石断面方向に磁石の傾きだけずらしたものの合計で表されることになる。そのため、高調波成分が減少して図２４のような基本波磁束密度分布に近くなり正弦波磁束密度分布となる。その結果、推力リップルが低減される。
【００４４】
また、磁石の断面形状に関しても、台形や蒲鉾形の磁石を使用したり、正弦波状の着磁を行うことも有効である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係るリニアモータによれば、固定側に多相のコアレスコイルを重ね巻でモータ進行方向に順に配置したため、可動側の永久磁石の面積下の各相コイルの電流をピーク値にすることができて大きな推力が得られると共に、多相正弦波駆動方式により推力リップルが少なく従って制御性の優れたリニアモータが実現できて、高精度の位置決め精度が得られるという効果を奏する。
【００４６】
同時に、重ね巻きしたコアレスコイルの中空穴に非磁性材からなる冷却管を通してコイルに密着固定したため、コイルの発熱を効率良く冷却できて、温度上昇による高精度の位置決め機能の低下が防止されるという効果を奏する。
【００４７】
また、本発明の請求項２に係る発明によれば、可動側の永久磁石が発生する磁束密度が進行方向に正弦波状分布となるように磁石形状または取付け角度を調整したため、推力リップルがさらに低減できて、より高精度の位置決めが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るリニアモータの基本構造を示す進行方向の断面図である。
【図２】本発明に係るリニアモータのコイル巻線と電流方向のモデル図で、（１）は三相コイル巻線図、（２）はコイル巻線の各位置での電流密度分布を示す図である。
【図３】本発明に係るリニアモータの第１の実施形態の斜視図である。
【図４】図３に示すものの固定部の斜視図である。
【図５】図３のV − V線断面図である。
【図６】図３に示すものの制御ブロック図である。
【図７】同ブロック図中の三相アンプ回路である。
【図８】上記制御における一定推力指令時の変位に対する電流指令波形図である。
【図９】図８の電流指令時の変位に対する推力データである。
【図１０】コイル冷却管の変形例を示した断面図である。
【図１１】コイル冷却管の変形例を示した断面図である。
【図１２】コイル冷却管の変形例を示した断面図である。
【図１３】コイル冷却管の変形例を示した断面図である。
【図１４】本発明に係るリニアモータの第２の実施形態の図５に対応する断面図である。
【図１５】図１４の固定部の平面図である。
【図１６】図１４のXVI −XVI 線断面図である。
【図１７】本発明の永久磁石のギャップ面形状と配置パターン例を示す図である。
【図１８】本発明の永久磁石のギャップ面形状と配置パターン例を示す図である。
【図１９】本発明の永久磁石のギャップ面形状と配置パターン例を示す図である。
【図２０】本発明の永久磁石のギャップ面形状と配置パターン例を示す図である。
【図２１】本発明の永久磁石のスキュー配列を示す図である。
【図２２】標準的な長方形形状の永久磁石の配置パターンを示す図である。
【図２３】図２２に示すものの断面磁束密度分布図である。
【図２４】永久磁石をスキュー配列したものの合計磁束密度分布図である。
【図２５】従来のリニアモータのコイルと磁石の配置関係を示すもので、（１）は進行方向の断面図、（２）はコイルの配置平面図である。
【図２６】従来の磁石の移動時の電流分布図である。
【符号の説明】
１ コアレスコイル
２ 永久磁石
１０ 固定部
１１ 中空穴（コイルの）
１２ 冷却管
１５ 可動部
１６ 支持部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a linear motor. In particular, it can be suitably used as a semiconductor manufacturing apparatus that requires a highly accurate positioning mechanism or a driving mechanism in the FA field.
[0002]
[Prior art]
A movable magnet type linear motor with a permanent magnet arranged on the movable side does not generate heat on the movable side and attracts between a coreless type coil (hereinafter referred to as a coreless coil or simply a coil) arranged on the fixed side. Therefore, it is suitably used as a driving device for a high-precision positioning mechanism.
[0003]
A conventional linear motor of this type is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-107665. This material, as shown in FIG. 25, multi-phase (U here, V, 3-phase W) which is wound focused in the traveling direction of the linear motor and fixed arranged flat coreless coil 1, the coil array A plurality of sets of permanent magnets 2 are arranged as movable parts on both sides of the sandwich. The permanent magnets 2 and 2 that form an opposing pair are opposed to each other with different polarities, and the magnetic flux penetrates the coreless coil 1. The adjacent permanent magnets 2 are arranged in a plurality of sets (four sets in the figure) in the coil arrangement direction so that the polarities are different from each other, and the adjacent magnets are magnets made of a ferromagnetic material on each side. The plate 3 is adhered and held. The coreless coil 1 is arranged with a phase shifted with respect to the arrangement pitch of the magnets 2 so that the excitation phase can be switched according to the position of the permanent magnets 2 (see FIG. 25 (2)).
[0004]
FIG. 26 shows a change in current distribution when the permanent magnet 2 which is the movable portion is integrally moved in the right direction in the figure. The magnetic flux of each pair of permanent magnets 2, 2 that make a pair in opposition is highest in the center of the traveling direction of the magnets 2, 2 (indicated by a dotted line). A larger thrust is generated when the current of the coil 1 of the phase at the position where the magnetic flux density is the highest is maximized. Therefore, the current of each phase of UVW is controlled so as to meet the above condition according to the position of the permanent magnet 2 that moves every moment. FIG. 26 (1) shows the positional relationship between the coil 1 and the permanent magnet 2 and the current distribution of the V-phase peak, FIG. 26 (2) shows the case of the W-phase peak, and FIG. In each case, the peak of the current distribution moves to the right in synchronization with the movement of the permanent magnet 2 to the right.
[0005]
Now, the magnetic flux density distribution B (y) generated by the permanent magnet 2 inside the magnet plate 3 (where y is the position in the magnet in the traveling direction), and the current distribution of the coil 1 between the gaps I ( y), and the length of one side in the transverse direction to the traveling direction of the coil 1 is D, the magnetic pole pitch L, and the number of magnet magnetic fluxes 4, the thrust F of the motor is the gap between the product of the magnetic flux density distribution and the current density distribution. It is expressed as an equation integrated in the direction,

It becomes.
[0006]
From this equation, it can be seen that the thrust is not efficiently generated unless the current density is increased at the position where the magnetic flux density is the highest. In this state, the distribution of the magnetic flux density is determined by the permanent magnet 2, but I (y) must be generated by selecting a current flowing through the multiphase coil 1 according to the position of the movable part. However, since the maximum current that flows through the coil 1 is limited by the coil wire diameter, cross-sectional area, heat dissipation, and the like, the magnetic flux must be generated in order to generate thrust most efficiently under the restrictions of the magnetic flux density determined by the movable part. It is necessary to make the connection and coil arrangement so that the current distribution has a limited peak value under the position where the density reaches a peak. In addition, when a general magnetic flux density distribution is approximately a sine wave distribution, the current distribution is also a sine wave distribution.

Can generate thrust most efficiently within the constraints of the same area.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above conventional example, the current of the phase in the gap of the magnet at the specific position can be set to the peak current value, but the position of the phase in the gap of the magnet at the other position is shifted. There is a problem that the current cannot be increased and the thrust under the same magnet area cannot be increased.
[0008]
In addition, since the number of coils under one permanent magnet is small, there is a problem that the current distribution cannot be continuously and smoothly changed according to the position of the movable part.
[0009]
Another problem is that it is difficult to efficiently cool and remove the heat generated when a current is passed through the coil.
Therefore, the present invention has been made paying attention to such problems of the conventional movable magnet type linear motor, and can increase the thrust under the same magnet area and continuously and smoothly change the current distribution. It is an object of the present invention to provide a movable magnet type linear motor that can reduce thrust ripple and can efficiently cool the heat generation of a coil.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1, which achieves the above object, is a multi-phase linear motor in which a coreless coil is arranged on the fixed side and a permanent magnet is arranged on the movable side, and a multi-phase coreless coil having a hollow hole is stacked on the fixed side. while sequentially arranged in the motor traveling direction in the winding, Ri Do from non-magnetic material, becomes a middle portion of the cooling tube end Ru is connected to the cooling device in close contact fixed to the coil through the hollow hole, the movable side The coreless coil is sandwiched between permanent magnets with magnets of different polarities facing each other via a magnetic gap, and a plurality of pairs of magnets are paired so that the polarities of adjacent magnetic poles are different from each other in the coil arrangement direction. A plurality of sets are arranged in accordance with the arrangement pitch, and the plurality of sets of permanent magnets are integrally connected via a support member that holds the magnetic gap.
[0011]
Here, the permanent magnet on the movable side may have a shape and / or attachment angle in which the magnetic flux density has a sinusoidal distribution in the traveling direction.
Further, the two cooling pipes can be disposed on both sides of the hollow hole, and in this case, the central part of the coreless coil can be brought into close contact with the hollow hole.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a linear motor according to the present invention. This is a multiphase linear motor in which the coreless coil 1 is arranged on the fixed side (fixed part 10) and the permanent magnet 2 is arranged on the movable side (movable part 15), and therefore there is no heat generation on the movable body side. For example, if the coreless coil 1 on the fixed side of the linear motor has three phases of U, V, and W, the coils of each phase are arranged in order in the motor traveling direction X, and the coils in the same phase are arranged at a constant interval L. It arrange | positions so that (pitch L) may be maintained and it may be arranged by the overlapping winding. That is, the corresponding sides of the adjacent in-phase coils are assembled with a pitch L in the traveling direction, and are connected so that a current in the reverse direction flows through the corresponding sides, and substantially orthogonal to the motor traveling direction of each coil. One of the two sides of the coil to be coiled is arranged so as to overlap with another side of the in-phase coil adjacent at the pitch L.
[0012]
FIG. 2 shows a model diagram of the coil winding and the current direction. In FIG. 2 (1), the number of turns of each coil 1 is represented as 1 for easy understanding, but in actuality there are a plurality of turns. In addition, the U, V, and W phase connections of the three-phase alternating current are shifted to the upper, middle, and lower stages, respectively, and the coil sides on which adjacent coils are overlapped are also described. Each phase connection is overlapped in the motor traveling direction X, for example, star connection. This will be described in detail with respect to the U-phase connection in the drawing. Among the two sides 1a and 1b orthogonal to the motor traveling direction X, a plurality of coils 1 are arranged in the motor traveling direction indicated by the arrow X. One side 1b is overlapped with one side 1a of another coil 1 that is adjacent to the other side with a distance L. If the direction and magnitude of the current flowing through the two sides 1a and 1b of each coil 1 are represented by arrows ia and ib, respectively, the corresponding sides 1a and 1a (1b and 1b) of the adjacent coils 1 have magnitudes. Are connected in such a way that currents in the opposite directions flow in the same direction, so that the currents ib and ia flowing in the coil sides 1b and 1a having the same phase are in the same direction.
[0013]
In FIG. 2 (1), when the three phases U, V, and W connected in a star connection are driven by a three-phase symmetrical current with a driving amplifier for each phase (not shown), the current value at a certain moment is expressed as U: V. The current direction and magnitude of each coil when flowing at a ratio of: W = 2: -1: -1 (assuming the inflow direction is +) are indicated by an arrow symbol i on each coil. FIG. 2B shows the current density distribution at each position when the current is flowing in this way. The current distribution synthesized by connecting the multi-phase coreless coil of the present invention wound in this manner and flowing the current becomes a sinusoidal distribution with a pitch of 2L.
[0014]
The coils 1 of the present invention has a hollow bore, fixing and cooling coil is performed in a cooling pipe made of a nonmagnetic material which is adhered to the coil through the hollow bore. Thus, according to the present invention, the heat generated by the coil can be directly absorbed by the cooling pipe and efficiently cooled.
[0015]
The movable part 15 of the linear motor of the present invention has a plurality of permanent magnets 2 arranged on both sides in the motor traveling direction X so as to sandwich the coil array arranged and connected as described above via a magnetic gap. I have. The permanent magnets 2 are a pair of magnetic poles having different magnetism facing each other across the coil array, and are arranged so that the magnetic flux between the opposing magnetic poles penetrates the coil 1. Further, a plurality of pairs (two pairs in FIG. 1) of magnets forming the pair are arranged in the coil arrangement direction so that the polarities of adjacent magnetic poles are different from each other. In FIG. 1, four permanent magnets 2 are arranged on both sides of a coil array, and two adjacent permanent magnets 2 and 2 of different magnetism are arranged at the same interval L as the coil arrangement pitch L. The magnetic body plate (magnet plate) 3 is integrally fixed by means of adhesion or the like. By repeating this arrangement of four magnets using, for example, eight permanent magnets, the magnetic flux of the fixed portion 10 is fixed. The pitch is 2L.
[0016]
The plurality of sets of permanent magnets 2 facing each other across the coil array are integrally held via a support member (16) incorporated between the upper and lower magnetic plates 3 so as to secure a magnetic gap. 15 is constituted.
[0017]
In the present invention, as will be described later, the shape of the permanent magnet 2 fixed to the magnet plate 3 is a rhombus, a trapezoid, or a parallelogram when viewed from the gap surface (as viewed from the direction in which the magnetic flux flows). Alternatively, the magnetic flux density distribution of the movable part can be made sinusoidal by tilting the angle at which the permanent magnet 2 is attached.
[0018]
Thus, according to the linear motor of the present invention, the magnetic flux density distribution of the movable part is a sine wave, and the current distribution of the coil described above is a sine wave, and the current distribution is continuously changed according to the position of the movable part. It can be changed smoothly, and the thrust ripple of the linear motor can be reduced.
[0019]
Further, since the number of coils under the area of one permanent magnet can be increased, the thrust under the same magnet area can be increased.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
3 to 9 show a first embodiment of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent part as before.
[0021]
First, the structure will be described. A plurality of coreless coils 1 having hollow holes are arranged in the motor traveling direction X in the fixed portion 10 of the three-phase linear motor. Each coil 1 is fixed to the hollow hole with two adhesives through the middle part of two cooling pipes 12 made of, for example, copper pipe. The coil 1 includes U, V, and W coils that pass a three-phase current. The coils 1 are arranged in order in the X direction, and are arranged by lap winding as described above. Note that the overlap of the in-phase coils in the coil 1 may not be completely coincident. Rather, it may be slightly deviated to smooth the current distribution.
[0022]
The central part of each coil 1 is press-molded so as to minimize the magnetic gap, and the hollow hole is crushed and bonded with an adhesive. The cooling pipe 12 is connected to a cooling device (not shown) so as to absorb and remove the heat generated in the coil 1 by the circulating refrigerant. The fixing part 10 is fixedly installed on a motor base (not shown).
[0023]
The movable portion 15 includes a plurality of permanent magnets 2 arranged on both upper and lower sides across the pressed center portion of the coil 1, a magnet plate 3 made of a magnetic material to which the permanent magnets 2 are bonded and fixed, and upper and lower magnet plates. 3 and a support member 16 that secures a magnetic gap between the magnetic poles of the permanent magnets 2 that face each other with the coil 1 interposed therebetween. The arrangement of the permanent magnets 2 is the same as that described above with reference to FIG.
[0024]
The movable portion 15 is supported by linear motion guide means such as a linear motion guide bearing device (linear guide device), a static pressure gas bearing device (air slide), or a ball spline device, and can move smoothly in the X direction. is there.
[0025]
This linear motor further detects the position of the movable part 15, for example, a UVW pole detection sensor normally used in an AC servo motor to detect the phase relationship between the permanent magnet of the movable part 15 and the coil position of the fixed part 10. Linear scale position detector, control circuit that generates thrust command based on drive command and feedback signal from position detector, three-phase sine wave current waveform based on UVW pole detection sensor signal and linear scale position detector signal Three-phase sine wave generator, and three-phase amplifier circuit for controlling the current of the UVW three-phase coil by integrating the three-phase sine wave current waveform output from the three-phase sine wave generator and the thrust command And is configured to perform positioning or driving.
[0026]
FIG. 6 shows a drive control block diagram of the linear motor of this embodiment.
The dotted line 1 in the figure is the load block of the linear motor, M is the mass of the movable part 15, and s is the Laplace transducer. A dotted line 2 indicates a three-phase amplifier circuit 20. Kp is a position loop gain of the position proportional device, Kv is a speed loop gain of the speed proportional device, and Kt is a torque constant of the linear motor. This control circuit calculates the speed and position of the movable unit 15 based on the position information from the position detector (linear scale) 21 that detects the position of the movable unit 15, and the UVW three-phase coil of the linear motor. Perform current feedback control. Since constant current control is performed here, the back electromotive force constant is omitted. That is, the thrust command transmitted from the control circuit based on the feedback information is input to the three-phase amplifier circuit 20, and the three-phase amplifier circuit 20 responds to the positional relationship between the three-phase coil 1 and the permanent magnet 2 by the thrust command. Performs three-phase current control.
[0027]
FIG. 7 is a block diagram of the three-phase amplifier circuit 20. This amplifier circuit includes a ring counter 23 having a pitch of 2L for inputting a signal from the UVW pole detection sensor 22 and a position signal (A / B phase) from the linear scale 21, and three ROMs 24 storing three-phase waveforms. And a three-phase sine wave generator 26 comprising an IC 25 for digital / analog conversion of the waveform signal.
[0028]
Next, the operation will be described.
First, the signal from the UVW pole detection sensor 22 that detects the phase relationship between the permanent magnet 2 of the movable part 15 and the coil position of the fixed part 10 and the AB phase signal from the linear scale 21 are converted into a three-phase sine according to the position. In order to generate a wave current waveform, it is input to the ring counter 23 of the three-phase sine wave generator 26, and position information from the ring counter 23 is input to the three ROMs 24. The waveform signal from the ROM 24 is converted into an analog signal by the digital / analog conversion IC 25. The converted three waveforms are multiplied by a thrust command from the control circuit, and input to the three sets of constant current amplifiers 28 as a three-phase current waveform proportional to the required thrust. Each constant current amplifier 28 supplies a controlled coil current to each of the three-phase coils 1 of UVW. In this way, the three-phase current waveform can be controlled according to the position command and control command, and by making the current distribution sinusoidal and the magnetic flux density distribution sinusoidal, it is proportional to the thrust command and stable with little thrust ripple due to the position. Linear motor drive is achieved.
[0029]
FIG. 8 shows UVW three-phase current waveforms with respect to displacement when the thrust command is made constant during motor driving. Moreover, the measurement data of the thrust with respect to a displacement are shown in FIG. From this, it is clear that the characteristic that the thrust ripple is small can be obtained by the linear motor of the present invention.
[0030]
In the said embodiment, what used the two cooling pipes 12 which consist of copper round pipes which are nonmagnetic materials as a cooling structure of a coreless coil is shown. When the two cooling pipes 12 are arranged on both sides of the hollow hole of the coreless coil 1 in this way, the magnetic fluxes of the opposed permanent magnets 2 and 2 that penetrate the center of the coil do not penetrate the cooling pipe 12. Therefore, even if the cooling pipe 12 is made of a non-magnetic material, eddy current is not generated with the movement of the permanent magnets 2 and 2, and therefore viscous resistance to the movable part does not occur.
[0031]
However, the coil cooling structure in the linear motor of the present invention is not limited to this. 10 to 13 show other examples of the cooling structure of the coreless coil.
The structure shown in FIG. 10 has a single cooling pipe 12 that contacts the entire inner surface of the coil 1 to absorb heat. When the contact area with the coil is maximized and the cooling pipe 12 is made of a non-magnetic metal, it functions as a short coil with respect to the magnetic flux inside the coil 1, so that the inductance of each phase coil as seen from the drive amplifier side There is an advantage that the current followability with respect to the current command is improved.
[0032]
Although the thing of FIG. 11 uses the two cooling pipes 12, it is the structure which made the piping cross section rectangular. The coil 1 can be made flatter than a circular cross section (the shorter diameter of the hollow hole 11 can be made smaller), the magnetic gap of the permanent magnet sandwiching the coil 1 can be made smaller, and the contact area with the coil There is an advantage that can be increased. The advantage of disposing the two cooling pipes 12 on both sides of the coreless coil 1 is the same as in the case of the circular cross section described above.
[0033]
The structure shown in FIG. 12 has a structure in which the coil central portion shown in FIG. Since the magnetic gap between the permanent magnets sandwiching the coil 1 can be reduced, the magnetic flux density can be further increased even if the same permanent magnet 2 is used, and as a result, the thrust is increased (if thrust is not required, Magnet thickness can be reduced). Further, since the contact area with the coil can be made larger than that which is not press-molded, there is an advantage that the cooling performance is enhanced.
[0034]
The one shown in FIG. 13 is obtained by dividing one cooling pipe 12 shown in FIG. 10, and a plurality of (eight) cooling pipes 12 are electrically insulated from each other and are closely attached to the full length of the hollow hole 11 of the coil 1. It is a fixed structure. The eddy current generated with the movement of the permanent magnet 2 can be reduced and the viscous resistance acting on the movable part can be reduced.
[0035]
Subsequently, FIGS. 14 to 16 show a second embodiment of the linear motor of the present invention.
In this embodiment, the coil cooling structure shown in FIG. 10 is adopted. In addition, a total of eight permanent magnets 2 are used for the movable portion 15, and four of the permanent magnets 2 are arranged so that the adjacent polarities are alternate and the pitch between the magnetic poles of the same polarity is 2L. It is fixed to the magnet plate 3.
[0036]
Since one cooling pipe 12 is brought into contact with the entire inner surface of the coil array to absorb heat, high cooling efficiency can be obtained. If the cooling pipe 12 is made of a non-magnetic metal such as copper, the cooling pipe 12 functions as a short coil.
[0037]
Other functions and effects are substantially the same as those of the first embodiment.
Note that the coil cooling pipe in the linear motor of the present invention may be provided with a coil positioning protrusion, a pin, or the like on the outer periphery thereof.
[0038]
In addition, the coil cooling pipe is electrically insulated and cooled when it is electrically insulated from the coil by applying various kinds of synthetic resin, silicon, etc., insulating paper, or when the pipe is made of aluminum. Anodizing can be performed to achieve both.
[0039]
Moreover, you may use a heat pipe as a cooling pipe of a coil.
Also, the strength of the fixed portion coil and the cooling pipe can be improved by resin molding.
[0040]
Here, the effect of the shape and mounting angle of the permanent magnet 2 of the movable portion 15 in the linear motor of the present invention on the magnetic flux density distribution will be described in detail.
In the first and second embodiments, the shape and the like of the permanent magnet 2 of the movable part 15 are not particularly mentioned, but the shape and arrangement pattern affect the magnetic flux density distribution of the movable part 15. . FIGS. 17 to 20 show examples of magnet shapes in which the magnetic flux density distribution of the movable portion 15 is a sine wave, and all are shapes seen from the magnetic gap surface of the permanent magnet 2.
[0041]
17 and 18 are four arrays of trapezoidal permanent magnets 2, FIG. 19 is two arrays of rhombus permanent magnets 2, and FIG. 20 is two of parallelogram permanent magnets 2. Is an array of By adopting such a magnet shape and arrangement, it is possible to make the magnetic flux density distribution of the movable portion 15 in a sinusoidal manner.
[0042]
FIG. 21 shows a case where two rectangular magnets 2 and 2 having a standard magnetic gap surface are tilted (skewed) with respect to the linear motor traveling direction. As shown in FIG. 22, when two permanent magnets 2 and 2 having a standard rectangular shape are arranged with their long sides orthogonal to the linear motor traveling direction without being inclined, the AA ′ The magnetic flux density distribution in the cross section has a pattern in which harmonics are included in a sine wave as shown in FIG.
[0043]
On the other hand, when the permanent magnet 2 is tilted in the linear motor traveling direction as shown in FIG. 21, the magnetic flux density distribution as shown in FIG. 23 is obtained in the AA ′ section, but the total magnetic flux in the traveling direction of the entire magnet. The density distribution is expressed as the sum of the magnetic flux density distributions in FIG. 23 shifted by the inclination of the magnet in the magnet cross-sectional direction. For this reason, the harmonic component is reduced to be close to the fundamental wave magnetic flux density distribution as shown in FIG. As a result, thrust ripple is reduced.
[0044]
In addition, regarding the cross-sectional shape of the magnet, it is also effective to use a trapezoidal or bowl-shaped magnet or perform sinusoidal magnetization.
[0045]
【The invention's effect】
According to the linear motor of the first aspect of the present invention, since the multi-phase coreless coil is sequentially arranged in the motor traveling direction by lap winding on the fixed side, the current of each phase coil under the area of the movable permanent magnet is peaked. The value can be set to a large value and a large thrust can be obtained. Also, the multiphase sine wave drive system has a small thrust ripple, and therefore, a linear motor with excellent controllability can be realized and a high positioning accuracy can be obtained. .
[0046]
At the same time, the coilless core hole coil is tightly fixed to the coil through a non-magnetic material cooling tube, so the coil heat can be efficiently cooled and the high-precision positioning function is prevented from deteriorating due to temperature rise. There is an effect.
[0047]
Further, according to the invention of claim 2 of the present invention, the thrust ripple is further reduced because the magnet shape or the mounting angle is adjusted so that the magnetic flux density generated by the movable permanent magnet has a sinusoidal distribution in the traveling direction. It is possible to achieve an effect that positioning with higher accuracy becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view in a traveling direction showing a basic structure of a linear motor according to the present invention.
FIG. 2 is a model diagram of the coil winding and current direction of the linear motor according to the present invention, where (1) is a three-phase coil winding diagram, and (2) is a current density distribution at each position of the coil winding. FIG.
FIG. 3 is a perspective view of the first embodiment of the linear motor according to the present invention.
4 is a perspective view of a fixing portion shown in FIG. 3. FIG.
5 is a cross-sectional view taken along the line V-V in FIG. 3;
6 is a control block diagram of what is shown in FIG. 3. FIG.
FIG. 7 is a three-phase amplifier circuit in the block diagram.
FIG. 8 is a current command waveform diagram with respect to displacement at the time of a constant thrust command in the above control.
9 is thrust data with respect to displacement at the time of current command in FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a modified example of the coil cooling pipe.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a modified example of the coil cooling pipe.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a modified example of the coil cooling pipe.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a modified example of the coil cooling pipe.
FIG. 14 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 5 of the second embodiment of the linear motor according to the present invention.
15 is a plan view of the fixing part of FIG. 14;
16 is a cross-sectional view taken along line XVI-XVI in FIG.
FIG. 17 is a diagram showing a gap surface shape and an arrangement pattern example of the permanent magnet of the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing a gap surface shape and an arrangement pattern example of the permanent magnet of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing a gap surface shape and an arrangement pattern example of the permanent magnet of the present invention.
FIG. 20 is a diagram showing a gap surface shape and an arrangement pattern example of the permanent magnet of the present invention.
FIG. 21 is a diagram showing a skew arrangement of permanent magnets according to the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing an arrangement pattern of standard rectangular permanent magnets.
23 is a cross-sectional magnetic flux density distribution diagram of what is shown in FIG.
FIG. 24 is a distribution diagram of the total magnetic flux density of the permanent magnets arranged in a skew arrangement.
FIGS. 25A and 25B show a positional relationship between a coil and a magnet of a conventional linear motor, in which FIG. 25A is a sectional view in a traveling direction, and FIG.
FIG. 26 is a current distribution diagram during movement of a conventional magnet.
[Explanation of symbols]
1 Coreless coil 2 Permanent magnet 10 Fixed part 11 Hollow hole (coil)
12 Cooling pipe 15 Movable part 16 Support member

Claims (4)

A multi-phase linear motor with a coreless coil on the fixed side and a permanent magnet on the movable side. The fixed side has a multi-phase coreless coil with a hollow hole, and is arranged in order in the motor traveling direction and non-magnetic Ri Do from wood, the middle portion of the cooling tube end Ru is connected to the cooling device becomes in close contact fixed to the coil through the hollow hole, a movable side are opposed to each other via a magnetic gap of different polarities of the magnet permanent The coreless coil is sandwiched between magnets, and a plurality of sets of magnets forming a pair are arranged in accordance with the coil arrangement pitch in the coil arrangement direction so that the polarities of adjacent magnetic poles are different from each other. A linear motor comprising a plurality of sets of permanent magnets coupled together through a support member that holds the magnetic gap.   The linear motor according to claim 1, wherein the movable permanent magnet has a shape and / or a mounting angle in which the magnetic flux density has a sinusoidal distribution in the traveling direction. The linear motor according to claim 1, wherein the two cooling pipes are disposed on both sides of the hollow hole. 4. The linear motor according to claim 3, wherein a central portion of the coreless coil is brought into close contact with the hollow hole.

Images