(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石を移動方向に沿って交互に順次異極となるように内側に固着された左右平行な固定子と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して対向する面に左右のティースを有する電機子コアに電機子巻線を巻装してなる可動子とを備えたリニアモータにおいて、
前記電機子コアの左右のティースのうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする奇数）、前記ティース数Ｎに対面した前記永久磁石の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の前記固定子に設けられた前記永久磁石の移動方向位置は互いに電気角で
δ＝（（−Ｐ）×１／２＋Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０
度ずらしてあり、
前記電機子コアの左右に巻回した電機子巻線の移動方向位置を、
Ｍ＝（−Ｐ）×１／２＋Ｎ
スロット分ずらしてあり、
前記左右の電機子巻線の同相同士を並列接続したことを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記電機子コアは、略長方形状に打ち抜いた電磁鋼板の両側面に凹凸状の係合部を設けて積層してなるコアを順次移動方向に複数並べて連結したものであることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
複数の永久磁石を移動方向に沿って交互に順次異極となるように内側に固着された左右平行な固定子と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して対向する面に左右のティースを有する電機子コアに電機子巻線を巻装してなる可動子とを備えたリニアモータにおいて、
前記電機子コアの左右のティースのうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする偶数）、前記ティース数Ｎに対面した前記永久磁石の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の前記固定子に設けられた前記永久磁石の移動方向位置は互いに電気角で
δ＝（Ｐ×３／２−Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０
度ずらしてあり、
左右の前記電機子巻線の移動方向位置を、
Ｍ＝Ｐ×３／２−Ｎ＋Ｐ
スロット分ずらしてあり、
左右の前記電機子巻線の同相同士を並列接続したことを特徴とするリニアモリニアモータ。
【請求項４】
前記電機子コアは、略長方形状に打ち抜いた電磁鋼板の両側面に凹凸状の係合部を設けて積層してなるコアを順次移動方向に複数並べて連結したものであることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば半導体製造装置などのＦＡ機器に用いられると共に、高速・高精度位置決めを要求されるリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置などのＦＡ機器に用いられると共に、高速・高精度位置決めを要求されるリニアモータは図８、図９のようになっている。
図８は従来のリニアモータの正断面図、図９は図８のＡ−Ａ線に沿う断面図である。リニアモータは相数が３、毎極毎相のスロット数が３／８の可動コイル形のものであり、ティース数がＮ＝９、ティース数Ｎ＝９に対向する永久磁石の磁極数Ｐ＝８で構成されている。
図において、２１１は左側固定子、２１２は右側固定子、２１３は永久磁石、２２０は可動子、２２１は第１の可動子取付部材、２２２は第２の可動子取付部材、２２３は左側電機子巻線、２２４は右側電機子巻線、２２５はティース、２２６は継鉄、２２７は貫通穴、２２８はボルト、２２９は電機子コアである。
リニアモータは複数の永久磁石２１３を移動方向に沿って交互に順次異極となるように内側に固着された左右平行な固定子（左側固定子２１１および右側固定子２１２）が設けられている。また、永久磁石２１３の磁石列と磁気的空隙を介して対向する面には左右のティース２２５を有する電機子コア２２９に左側電機子巻線２２３、右側電機子巻線２２４を集中巻により巻装してなる可動子２２０が設けられている。さらに、固定子は図示しない他の固定子取付プレートによって剛に固定されている。可動子はティース２２５および継鉄２２６の上下方向を第１の可動子取付材２２１と第２の可動子取付部材２２２により挟み込み、貫通穴２２７に通したボルト２２８で締め付けられ、互いに剛に固定されている。そして、第１の可動子取付部材１２１の上面は図示しない負荷テーブルに固定され、可動子２２０は図示しないガイドによって長手方向に移動自在となっている。
このような構成において、リニアモータは可動子２２０の左右側面に左側固定子２１１および右側固定子２１２が配置される構造であるため、可動子２２０と固定子２１１，２１２間に発生する磁気吸引力が左右で相殺される。その結果、可動子２２０にかかる磁気吸引力を考慮する必要が無く、可動子２２０を取り付けるテーブルの軽量化、テーブルを支持するガイドの長寿命化をはかることができる。また、永久磁石２１３を配置した２個の固定子を半ピッチずらし、可動子２２０と固定子２１１，２１２間に発生するコギング力（基本周期が磁極ピッチλ）が左右で相殺されることから、コギング力による速度リプルが無く、一定速送り高精度化をはかることができる（例えば、特開平１１―２６２２３６号公報）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術ではリニアモータの移動速度に比例した誘起電圧の増加による駆動電圧不足を避けるために、左右の電機子巻線を並列結線する必要があるが、次のような問題が生じた。
（１）可動子をある速度で移動させた場合、２個の固定子に対面した左右の電機子巻線が鎖交する磁束に位相差が生じると共に、左右の電機子巻線を並列結線すると、左右の電機子巻線内で循環電流が流れて銅損が発生し、その結果、電機子コアの温度上昇、可動子取付部の熱変形などを生じていた。
（２）また、循環電流は可動子の速度に比例した粘性制動力を発生させるため、可動子の移動速度が速い場合には大きな粘性制動力に打ち勝つために電流を増やす必要があることから、従来に比べて電流の増加による多大な銅損が発生した。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、左右の電機子巻線を並列結線した場合でも、電機子巻線内での循環電流による銅損および粘性制動力を無くす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。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の本発明は、複数の永久磁石を移動方向に沿って交互に順次異極となるように内側に固着された左右平行な固定子と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して対向する面に左右のティースを有する電機子コアに電機子巻線を巻装してなる可動子とを備えたリニアモータにおいて、前記電機子コアの左右のティースのうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする奇数）、前記ティース数Ｎに対面した前記永久磁石の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の前記固定子に設けられた前記永久磁石の移動方向位置は互いに電気角で、δ＝（（−Ｐ）×１／２＋Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度ずらしてあり、前記電機子コアの左右に巻回した電機子巻線の移動方向位置を、Ｍ＝（−Ｐ）×１／２＋Ｎ  スロット分ずらしてあり、前記左右の電機子巻線の同相同士を並列接続したものである。
また、請求項２の本発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、略長方形状に打ち抜いた電磁鋼板の両側面に凹凸状の係合部を設けて積層してなるコアを順次移動方向に複数並べて連結したものである。
また、請求項３の本発明は、複数の永久磁石を移動方向に沿って交互に順次異極となるように内側に固着された左右平行な固定子と、前記永久磁石の磁石列と磁気的空隙を介して対向する面に左右のティースを有する電機子コアに電機子巻線を巻装してなる可動子とを備えたリニアモータにおいて、前記電機子コアの左右のティースのうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする偶数）、前記ティース数Ｎに対面した前記永久磁石の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の前記固定子に設けられた前記永久磁石の移動方向位置は互いに電気角で、δ＝（Ｐ×３／２−Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度ずらしてあり、左右の前記電機子巻線の移動方向位置を、Ｍ＝Ｐ×３／２−Ｎ＋Ｐ  スロット分ずらしてあり、左右の前記電機子巻線の同相同士を並列接続したものである。
請求項４の本発明は。請求項３に記載のリニアモータにおいて、略長方形状に打ち抜いた電磁鋼板の両側面に凹凸状の係合部を設けて積層してなるコアを順次移動方向に複数並べて連結したものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施例を示すリニアモータであって、図８のＡ−Ａ線に沿うリニアモータの上部から見た断面図に相当する。このリニアモータは、従来技術と同じく相数が３、毎極毎相のスロット数が３／８の可動コイル形リニアモータであって、ティース数がＮ＝９、ティース数Ｎ＝９に対向する永久磁石の磁極数Ｐ＝８で構成されている。
図において、１１１は左側固定子、１１２は右側固定子、１１３は永久磁石、１２０は可動子、１２３は左側電機子巻線、１２４は右側電機子巻線、１２５はティース、１２６は継鉄、１２７は貫通穴、１２９は電機子コアである。
本発明のうち、複数の永久磁石１１３を移動方向に沿って内側に等ピッチλにて固着された左右平行な固定子と、永久磁石１１３の磁石列と磁気的空隙を介して対向する面に電機子巻線１２３、１２４を巻装した電機子コア１２９を有する可動子１２０とを設けた構成、固定子を図示しない固定子取付プレートによって固定し、可動子を２つの可動子取付材により挟み込んで固定する構成、については従来技術と基本的には同じである。
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、電機子コア１２９の左右のティース１２５のうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする奇数）、ティース数Ｎに対面した永久磁石１１３の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の固定子１１１、１１２に設けられた永久磁石１１３の移動方向位置は互いに電気角で、δ＝（（−Ｐ）×１／２＋Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度ずらしてあり、電機子コア１２９の左右に巻回した電機子巻線１２３、１２４の移動方向位置を、Ｍ＝（−Ｐ）×１／２＋Ｎ  スロット分ずらしてあり、左右の電機子巻線１２３、１２４の同相同士を並列接続した点である。
【０００６】
本実施例の左側固定子１１１と右側固定子１１２においては、ティース数がＮ＝９、ティース数Ｎ＝９に対向する永久磁石の磁極数Ｐ＝８の条件の下で、左側固定子１１１の永久磁石１１３に対して右側固定子１１２の永久磁石１１３を、電気角で次の角度だけずらしていることになる。
δ＝（（−Ｐ）×１／２＋Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度
＝（−８×１／２＋９）×８／９×１８０度＝８００度
このとき、電気角８００度は、８００度−３６０度×２＝８０度であるため、寸法で表せば８０／１８０×λ＝４／９×λとなる。
【０００７】
次に、電機子巻線の結線方法を図２、図３に基づいて説明する。
図２は第１の実施例による左右の電機子巻線の各スロット位置におけるコイルル結線図、図３は第１の実施例における各相ごとに並列接続された左右の電機子巻線の結線図を示したものである。
ここで、図２における１〜１０までの数字はスロット番号、スロット番号下の角度はあるスロット位置を電気角０度とした場合の各スロット位置における電気角を表している。そして、右側電機子巻線１２４において、Ｕ相はＵＲ、ＸＲ端子、Ｖ相はＶＲ、ＹＲ端子、Ｗ相はＷＲ、ＺＲ端子を持っており、左側電機子巻線１２３において、 Ｕ相はＵＬ、ＸＬ端子、Ｖ相はＹＬ、ＶＬ端子、Ｗ相はＷＬ、ＺＬ端子を持っている。これら端子は、図３において、ＵＲとＵＬ，ＸＲと ＸＬ，ＶＲとＶＬ 、ＹＲとＹＬ、ＷＲとＷＬ、ＺＲとＺＬが接続され、右側電機子巻線１２４と左側電機子巻線１２３は各相ごとに並列接続されている。
同図に示されているように、右側電機子巻線１２４は左側電機子巻線１２３に対し、Ｍスロット分
Ｍ＝（−Ｐ）×１／２＋Ｎ＝−８×１／２＋９＝５
ずらしている。これを電気角で表すと
Ｍ×Ｐ／Ｎ×１８０度＝５×８／９×１８０度＝８００度
すなわち、８００度−２×３６０度＝８０度となっている。
【０００８】
次に、推力発生原理について説明する。
左側電機子巻線１２３のＵ相は、３つのコイルから構成され、電気角１６０度間隔に直列接続されている。従って、可動子１２０を左側固定子１１１に対し相対移動させれば、３つのコイルに磁束が鎖交し、誘起電圧が発生する。同様に、Ｕ相に対し電気角１２０度、２４０度に配置されたＶ相、Ｗ相のコイルにも、Ｕ相に対し電気角１２０度、２４０度の位相差を持つ誘起電圧が発生する。従って、この誘起電圧に応じた所定の電流を与えることにより、左側電機子巻線１２３に推力が発生する。
一方、右側電機子巻線１２４は、左側電機子巻線１２３に対し５スロット分ずらしている。左側固定子１１１と右側固定子１１２にずれが無い場合、可動子１２０を右側固定子１１２に対し相対移動させれば、左側電機子巻線１２３に対し電気角８０度遅れた誘起電圧が発生する。しかしながら、右側固定子１１２は左側固定子１１１に対し電気角δ＝８０度ずらしているため、右側電機子巻線１２４に発生する誘起電圧には位相差が生じない。従って、図３に示すごとく、左側電機子巻線１２３と右側電機子巻線１２４を並列結線しても、そこには循環電流が生じないことになる。
【０００９】
次に、コギング力の低減効果について図４に基づいて説明する。
図４はコギング波形の低減効果の説明図であって、（ａ）は第１の実施例によるコギング力波形、（ｂ）は２個の固定子をずらしていない従来構造のリニアモータによるコギング力波形である。図４（ｂ）の従来のものによると、左右の固定子と可動子間に発生する各々のコギング力は、磁極ピッチλ（電気角１８０度）を基本周期とし同位相である。よって、左右足し合わせによって大きなコギング力が発生している。一方、図４（ａ）の本実施例のものによると、左右の固定子と可動子間に発生するコギング力は電気角８０度の位相差が生じるため、合成されたコギング力は大幅に低減されている。
【００１０】
このように、第１の実施例は上記の構成にしたので、左右の電機子巻線を並列結線した場合ても、循環電流が発生することはなく、これにより従来発生していた循環電流による銅損や粘性制動力を無くすことが可能なリニアモータを提供することができる。
また、左右の固定子と可動子間に発生するコギング力（基本周期が磁極ピッチλ（電気角１８０度））がδ＝８０度のずれによって相殺され、合成されたコギング力を大幅に低減することができる。
【００１１】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図５は本発明の第２実施例を示すリニアモータであって、図８のＡ−Ａ線に沿うリニアモータの上部から見た断面図に相当する。図６は左側電機子巻線１２３および右側電機子巻線１２４のコイル結線図である。図７は第２の実施例におけるコギング力波形を示す図である。なお、このリニアモータは、相数が３、毎極毎相のスロット数が２／５の可動コイル形リニアモータである。つまり、ティース数がＮ＝１２、ティース数Ｎ＝１２に対向する永久磁石の磁極数Ｐ＝１０で構成されている。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、電機子コア１２９の左右のティース１２５のうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする偶数）、ティース数Ｎに対面した永久磁石１１３の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の固定子１１１、１１２に設けられた永久磁石１１３の移動方向位置は互いに電気角で、δ＝（Ｐ×３／２−Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度ずらしてあり、左右の電機子巻線１２３，１２４の移動方向位置を、Ｍ＝Ｐ×３／２−Ｎ＋Ｐ  スロット分ずらしてあり、左右の電機子巻線１２３，１２４の同相同士を並列接続した点である。
本実施例においては、左側固定子１１１の永久磁石１１３と右側固定子１１２の永久磁石１１３のずれ分δ、左側電機子巻線１２３と右側電機子巻線１２４のずれスロット分Ｍは、Ｎ＝１２、Ｐ＝１０の条件のもとで、次のように計算される。
δ＝（Ｐ×３／２−Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度
＝（１０×３／２−１２）×１０／１２×１８０度＝４５０度
＝４５０度−３６０度＝９０度
Ｍ＝Ｐ×３／２−Ｎ
＝１０×３／２−１２＝３
左側固定子１１１の永久磁石１１３に対して右側固定子１１２の永久磁石１１３を、９０／１８０×λ＝１／２×λだけずらしている。また、左側電機子巻線１２３と右側電機子巻線１２４を、３×１０／１２×１８０＝９０度だけずらしている。
【００１２】
このように、第２の実施例は上記の構成にしたので、第１の実施例同様、左側電機子巻線１２３と右側電機子巻線１２４の誘起電圧の位相は一致し、並列接続した場合にも循環電流が生じないことになる。
また、左側固定子１１１の永久磁石１１３に対して右側固定子１１２の永久磁石１１３を電気角δ＝９０度ずらしているため、図７に示すごとく、左右の固定子と可動子間に発生するコギング力の合成を無くすことができる。第１の実施例のδ＝８０度よりさらにコギング力を低減することができる。
【００１３】
なお、以上の実施例では、可動コイル形リニアモータとして説明したが、可動マグネット形リニアモータとして構成しても構わず、本発明の可動コイル形と同等の効果を得ることができる。よって、設計変更の範疇として容易に実施できることは言うまでもない。
また、電機子コアは、電磁鋼鈑から複数のティースと継鉄を一体化する構成のものに打ち抜いコアの例で説明したが、略長方形状に打ち抜いた電磁鋼板の両側面に凹凸状の係合部を設けて積層してなるコアを順次移動方向に複数並べて連結したものであっても構わない。
また、ティース数Ｎ＝９の場合にはＰ＝８、ティース数Ｎ＝１２の場合にはＰ＝１０として説明したが、ティース数Ｎ＝９の場合にはＰ＝１０、ティース数Ｎ＝１２の場合にはＰ＝１４としても同様の効果を得ることができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば以下のような効果がある。
第１の実施例によれば、電機子コアの左右のティースのうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする奇数）、ティース数Ｎに対面した永久磁石の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の固定子に設けられた永久磁石の移動方向位置は互いに電気角で、δ＝（（−Ｐ）×１／２＋Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度ずらしてあり、電機子コアの左右に巻回した電機子巻線の移動方向位置を、Ｍ＝（−Ｐ）×１／２＋Ｎ  スロット分ずらしてあり、左右の電機子巻線の同相同士を並列接続したため、左右の電機子巻線を並列結線しても循環電流を生じることが無い。よって、循環電流による銅損や粘性制動力が発生しない。
また、基本周期を電気角１８０度とするコギング力がδ＝８０度によって相殺され、コギング力を低減することができる。
【００１５】
第２の実施例によれば、電機子コアの左右のティースのうち、片側のティースの数をＮ（３の倍数とする偶数）、ティース数Ｎに対面した永久磁石の磁極数をＰ（２以上の偶数）としたときに、左右の固定子に設けられた永久磁石の移動方向位置は互いに電気角で、δ＝（Ｐ×３／２−Ｎ）×Ｐ／Ｎ×１８０度ずらしてあり、左右の電機子巻線の移動方向位置を、Ｍ＝Ｐ×３／２−Ｎ＋Ｐ  スロット分ずらしてあり、左右の電機子巻線の同相同士を並列接続したため、第１の実施例同様、循環電流を無くすことができる。
また、基本周期を電気角１８０度とするコギング力がδ＝９０度となることにより、第１の実施例におけるコギング力よりもさらに低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すリニアモータであって、図８のＡ−Ａ線に沿うリニアモータの上部から見た断面図に相当する。
【図２】本発明の第１の実施例による左右の電機子巻線の各スロット位置におけるコイル結線図である。
【図３】本発明の第１の実施例における各相ごとに並列接続された左右の電機子巻線の結線図を示したものである。
【図４】コギング波形の低減効果の説明図であって、（ａ）は第１の実施例によるコギング力波形、（ｂ）は２個の固定子をずらしていない従来構造のリニアモータによるコギング力波形である。
【図５】本発明の第２の実施例を示すリニアモータであって、図８のＡ−Ａ線に沿うリニアモータの上部から見た断面図に相当する。
【図６】本発明の第２の実施例における左側電機子巻線１２３および右側電機子巻線１２４のコイル結線図である。
【図７】本発明の第２の実施例におけるコギング力波形を示す図
【図８】従来のリニアモータの正断面図である。
【図９】図８のＡ−Ａ線に沿うリニアモータの上部から見た断面図である。
【符号の説明】
１１１  左側固定子（固定子）
１１２  右側固定子（固定子）
１１３  永久磁石
１２０  可動子
１２１  第１の可動子取付部材
１２２  第２の可動子取付部材
１２３  左側電機子巻線（電機子巻線）
１２４  右側電機子巻線（電機子巻線）
１２５  ティース
１２６  継鉄
１２７  貫通穴
１２８  ボルト
１２９  電機子コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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