周期磁场产生装置及使用它的直线电动机、旋转型电动机

摘要

本发明提供周期磁场产生装置以及使用它的直线电动机、旋转型电动机。周期磁场产生装置具有Halbach阵列构造的磁场磁极，在该Halbach阵列构造的磁场磁极中，以交替相邻的方式，呈直线状排列配置了在产生磁场的方向上被磁化的主磁极永磁和以与该主磁极永磁的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁，采用了通过软磁性材料来置换该主磁极永磁的磁场产生侧的一部分的结构，软磁性材料的产生磁场侧的移动方向长度A与所主磁极永磁的背轭铁侧的移动方向长度B之间的关系形成为A＜B。

说明书

本申请主张于2009年7月17日提交的日本专利申请第2009-169227号的优先权。这里以引证的方式将其全部内容结合于此。

技术领域

本发明涉及周期磁场产生装置及使用该周期磁场产生装置的直线电动机、旋转型电动机。

背景技术

以往，关于在直线电动机、旋转型电动机等中使用的具有Halbach磁阵列构造的由永磁构成的磁场磁极的周期磁场产生装置，例如，如2007年1月11日公开的日本特开2007-006545号公报所示，提出了如下构造的周期磁场产生装置：利用软磁性材料置换Halbach磁阵列中的主磁极永磁的磁场产生侧的一部分，所述Halbach磁阵列具有在产生的磁场的方向上被磁化的主磁极永磁、和以与该主磁极永磁的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁。

在这种结构的周期磁场产生装置中，利用软磁性材料置换主磁极永磁的磁场产生侧的一部分，由此，与仅由Halbach磁阵列构成的周期磁场产生装置相比，能够缓解磁路的磁饱和的影响，能够提高产生磁场。

但是，现有的具有Halbach磁阵列构造的由永磁构成的磁场磁极的周期磁场产生装置存在如下问题：软磁性材料本身的饱和磁通密度存在极限，由于近来的永磁的特性提高等原因，磁路中的磁通密度增高，从而因磁路的磁饱和导致周期磁场产生装置的产生磁场存在极限。

并且，使用该周期磁场产生装置的直线电动机、旋转型电动机存在如下问题：由于无法增大周期磁场产生装置的产生磁场，因此无法增大推力和转矩。

并且，对于该周期磁场产生装置中使用的Halbach磁阵列，虽然可通过其构造使产生磁场呈正弦波分布，但是，面向直线电动机等的推力提高和推力波动降低的、产生磁场的进一步正弦波化存在极限，尚有改善的余地。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供如下的周期磁场产生装置及使用该周期磁场产生装置的直线电动机、旋转型电动机：通过变更具有Halbach磁阵列的周期磁场产生装置内的软磁性材料的形状或主磁极永磁和副磁极永磁的形状，来增大产生的磁场，进一步实现正弦波化。

本发明的第一方面是具有如下结构的周期磁场产生装置。

该周期磁场产生装置具有Halbach阵列构造的磁场磁极，在该Halbach阵列构造的磁场磁极中，以交替相邻的方式，呈直线状排列配置了在产生磁场的方向上被磁化的主磁极永磁和以与所述主磁极永磁的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁，并且，采用了通过软磁性材料来置换所述主磁极永磁的磁场产生侧的一部分的结构，在设所述软磁性材料的产生磁场侧的磁场移动方向长度为A、所述主磁极永磁的背轭铁侧的所述磁场移动方向长度为B的情况下，形成为A＜B。

根据本发明，周期磁场产生装置利用软磁性材料置换Halbach磁阵列中的主磁极永磁的磁场产生侧的一部分，在该Halbach磁阵列中，以交替相邻的方式，呈直线状排列配置了在产生磁场的方向上被磁化的主磁极永磁和以与该主磁极永磁的磁极方向不同的方式被磁化的副磁极永磁，其中，在设软磁性材料的产生磁场侧的长度为A、主磁极永磁的背轭铁侧的长度为B的情况下，形成为A＜B。因此，具有如下效果：与现有例相比，能够提供通过减小软磁性材料的产生磁场侧的面来增大产生磁场而进一步实现了正弦波化的周期磁场产生装置。

附图说明

参照附图，对本发明进行更详细的说明。

图1是代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置的剖面图。

图2是代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置的剖面图。

图3是代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置的剖面图。

图4A是对本发明的各实施方式和比较例中的周期磁场产生装置的特性进行比较的图，其表示相应装置在Z＝5mm的点处的气隙(gap)磁通密度分布。

图4B是示出图4A的气隙磁通密度分布波形的Z＝5mm的位置的图。

图5是代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处，相对于B/A，气隙磁通密度最大值的分布。

图6是代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处，相对于B/A，气隙磁通密度最大值的分布。

图7是代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处，相对于B/A，气隙磁通密度最大值的分布。

图8是对本发明的各实施方式和比较例(现有技术)的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处的气隙磁通密度分布波形的谐波分析结果进行比较的图。

图9是代表本发明的第4实施方式的直线电动机的剖面图。

图10是代表本发明的第5实施方式的旋转型电动机的剖面图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。

【实施例1】

图1是代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置的剖面图。

在图1中，周期磁场产生装置由以下部分构成：背轭铁(back yoke)103、磁化方向为朝上(↑)和朝下(↓)的主磁极永磁111、磁化方向为朝右(→)和朝左(←)的副磁极永磁112、以及配置于主磁极永磁111的磁场产生侧的软磁性材料104。

这里，图1中的A、B分别表示软磁性材料104的产生磁场侧的长度和主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度，作为一例，软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为与副磁极永磁112的背轭铁103侧的长度B’相同的长度。另外，设软磁性材料104的产生磁场侧的长度A与主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B的合计为30mm。

本发明的第1实施方式的特征在于，设软磁性材料104的产生磁场侧的磁场移动方向长度为A、主磁极永磁111的背轭铁103侧的磁场移动方向长度为B，则以A＜B的方式将软磁性材料104和主磁极永磁111分别形成为梯形状。其中，磁场移动方向长度是指形成磁场的永磁的磁阵列的长边方向长度。

图4A是对本发明的各实施方式和比较例的周期磁场产生装置的特性进行比较的图，其表示相应装置在Z＝5mm的点处的气隙磁通密度分布。图4B是示出图4A的气隙磁通密度分布波形的Z＝5mm的位置的图。即，图4A的曲线图表示出图4B中的虚线位置(Z＝5mm)处的磁通密度分布。另外，图中的E1是第1实施方式，E2是第2实施方式，E3是第3实施方式，E0是比较例。这里，在本发明的各实施方式中，软磁性材料的产生磁场侧的磁场移动方向长度A与主磁极永磁的背轭铁侧的磁场移动方向长度B之间的关系均为A＜B，与此相对，比较例为A＝B的关系。

作为一例，图4A中的第1实施方式(E1)的曲线图(标有△)表示软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为10mm、主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B为20mm的情况。

这里，对本实施方式的周期磁场产生装置所产生的磁通密度与比较例的周期磁场产生装置的磁通密度进行比较，比较例的周期磁场产生装置所产生的磁通密度在主磁极磁铁中心上的P、Q位置处为0.4T，与此相对，在代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置中，所产生的磁通密度增大至0.58T，可知相比于比较例，本发明更加高效。

如上所述，本发明能够提供如下的周期磁场产生装置：设软磁性材料104的产生磁场侧的长度为A、主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度为B，则以A＜B的方式形成为梯形状，与比较例相比，通过减小软磁性材料104的产生磁场侧的面，由此增大了产生磁场。

图5示出了代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处，相对于B/A，气隙磁通密度最大值的分布。在图中，横轴是主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B与软磁性材料104的产生磁场侧的长度A之比，纵轴是磁通密度值。

如图5所示，可知在代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置中，在B/A＝2.6附近，气隙磁通密度值最大，而当B/A＝1.5以下时，气隙磁通密度值急剧减小，所以，设B/A的下限值为1.5，并将其上限值设定为3.5，在3.5处，示出与下限值1.5处的气隙磁通密度值相同的值。由此，对于代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置，在1.5≤B/A≤3.5的区域内制作周期磁场产生装置，由此能够提供进一步增大了产生磁场的周期磁场产生装置。

图8示出对本发明的各实施方式与比较例的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处的气隙磁通密度分布波形的谐波分析结果进行比较的图。其中，图中的E1是第1实施方式，E2是第2实施方式，E3是第3实施方式，E0是比较例。在图中，横轴表示谐波分析的阶次D，纵轴表示磁通密度波形的谐波分量的比例H(％)，这里，作为一例，设为如下情况：软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为10mm，主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B为20mm。

如该图8所示，在代表本发明的第1实施方式的周期磁场产生装置中，能够使一次分量大于比较例，使三次分量、五次分量小于比较例。由此，与比较例相比，能够提供增大了产生磁场、进一步实现了正弦波化的周期磁场产生装置。

【实施例2】

接着，说明本发明的第2实施方式。

图2是代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置的剖面图。

在图2中，周期磁场产生装置由以下部分构成：背轭铁103、磁化方向为朝上(↑)和朝下(↓)的主磁极永磁111、磁化方向为朝右(→)和朝左(←)的副磁极永磁112、配置于主磁极永磁111的磁场产生侧的软磁性材料104。

图中的A、B分别表示软磁性材料104的产生磁场侧的长度和主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度，这里，作为一例，软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为与副磁极永磁112的背轭铁103侧的长度B’相同的长度。另外，设软磁性材料104的产生磁场侧的长度A与主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B的合计为30mm。

本发明的第2实施方式与第1实施方式的不同之处在于，软磁性材料104的产生磁场侧的移动方向长度A与主磁极永磁111的背轭铁103侧的移动方向长度B之间的关系形成为A＜B，并且软磁性材料104的背轭铁103侧的移动方向长度与主磁极永磁111的产生磁场侧的移动方向长度不同。具体而言，其特征在于，软磁性材料104的产生磁场侧的移动方向长度A与背轭铁103侧的移动方向长度相等，并且，主磁极永磁111的产生磁场侧的移动方向长度与背轭铁103侧的移动方向长度B相等。

这里，如对本发明的各实施方式与比较例的周期磁场产生装置的特性进行比较的图4A所示，作为一例，图4A中的第2实施方式(E2)的曲线图(标有○)表示软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为10mm、主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B为20mm的情况。

如图4A所示，比较例的周期磁场产生装置所产生的磁通密度在主磁极磁铁中心上的P、Q位置处为0.4T，与此相对，在代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置中，所产生的磁通密度增大至0.6T，可知本发明是高效的。

如上所述，能够提供如下的周期磁场产生装置：设软磁性材料104的产生磁场侧的长度为A、主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度为B，则形成为A＜B，并且，利用分别与主磁极永磁111和软磁性材料104相同厚度的2种宽度的磁铁来构成副磁极永磁112，与比较例相比，通过减小软磁性材料104的产生磁场侧的面，由此增大了产生磁场。

图6示出了代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处，相对于B/A，气隙磁通密度最大值的分布。在图中，横轴是主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B与软磁性材料104的产生磁场侧的长度A之比，纵轴是磁通密度值。

如图6所示，可知在代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置中，在B/A＝5.2附近，气隙磁通密度值最大，而当B/A＝2以下时，气隙磁通密度值急剧减小。由此，对于代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置，在2≤B/A的区域内制作周期磁场产生装置，由此，能够提供进一步增大了产生磁场的周期磁场产生装置。

这里，使用图8，对本发明的各实施方式与比较例的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处的气隙磁通密度分布波形的谐波分析结果进行比较，在代表本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置(软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为10mm，主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B为20mm)中，能够使一次分量大于比较例、使三次分量、五次分量小于比较例。由此，与比较例相比，能够提供增大了产生磁场、进一步实现了正弦波化的周期磁场产生装置。

【实施例3】

接着，说明本发明的第3实施方式。

图3是代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置的剖面图。

在图3中，102是磁化方向。产生磁场方向为上方向，磁化方向为朝上(↑)和朝下(↓)的111是主磁极永磁，磁化方向为朝右(→)、朝左(←)和斜向箭头的112是副磁极永磁，103是背轭铁，104是配置于主磁极永磁111的磁场产生侧的软磁性材料。

图中的A、B分别表示软磁性材料104的产生磁场侧的长度和主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度，这里，作为一例，软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为与副磁极永磁112的背轭铁103侧的长度相同的长度。另外，设软磁性材料104的产生磁场侧的长度A与主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B的合计为30mm。

本发明的第3实施方式与第2实施方式的不同之处在于，设软磁性材料104的产生磁场侧的长度为A、主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度为B，则形成为A＜B，并且，第2实施方式中的与主磁极永磁111相邻的副磁极永磁112由产生磁场侧的2个永磁以及背轭铁103侧的1个永磁构成，所述2个永磁是将产生磁场侧的副磁极永磁112分为两部分并在倾斜方向(45°)上进行磁化而构成的。

这里，如对本发明的各实施方式与比较例的周期磁场产生装置的特性进行比较的图4所示，作为一例，图4A中的第3实施方式(E3)的曲线图(标有◇)表示设软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为10mm、主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B为20mm的情况。

如图4A所示，比较例的周期磁场产生装置所产生的磁通密度在主磁极磁铁中心上的P、Q位置处为0.4T，与此相对，在代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置中，所产生的磁通密度增大至0.5T，可知本发明是高效的。

如上所述，能够提供如下的周期磁场产生装置：设软磁性材料104的产生磁场侧的长度为A、主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度为B，则形成为A＜B，并且，针对第2实施方式中的产生磁场侧的副磁极永磁112，将其分为两部分，倾斜地进行磁化，利用由3个磁铁构成的永磁来构成副磁极永磁112，与比较例相比，通过减小软磁性材料104的产生磁场侧的面，增大了产生磁场。

图7示出了代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处，相对于B/A，气隙磁通密度最大值的分布。在图中，横轴是主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B与软磁性材料104的产生磁场侧的长度A之比，纵轴是磁通密度值。

如图7所示，可知在代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置中，当B/A＝2以下时，气隙磁通密度值急剧减小。由此，对于代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置，在2≤B/A的区域内制作周期磁场产生装置，由此，能够提供进一步增大了产生磁场的周期磁场产生装置。

这里，如对本发明的各实施方式与比较例的周期磁场产生装置在Z＝5mm的点处的气隙磁通密度分布波形的谐波分析结果进行比较的图8所示，在代表本发明的第3实施方式的周期磁场产生装置(软磁性材料104的产生磁场侧的长度A为10mm，主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度B为20mm)中，能够使一次分量大于比较例，使三次分量、五次分量小于比较例。由此，与比较例相比，能够提供增大了产生磁场、进一步实现了正弦波化的周期磁场产生装置。

【实施例4】

接着，说明本发明的第4实施方式。

图9是代表本发明的第4实施方式的直线电动机的剖面图。

以使本发明的周期磁场产生装置(图2)的产生磁场相对的方式，由构成周期磁场产生装置的磁场磁极以及构成电枢的线圈105构成直线电动机，该电枢隔着磁隙与该磁场磁极相对地配置。通过采用这种结构，利用对线圈105通电而在线圈105上产生的磁场与周期磁场产生装置的产生磁场之间的引力和斥力，能够在线圈105为定子时，使作为动子的周期磁场产生装置直线移动，并且能够在周期磁场产生装置为定子时，使作为动子的线圈105直线移动。

在本发明的第4实施方式中，相对于比较例，使用了本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置所产生的磁通密度增加了50％(0.4T→0.6T)，由此，直线电动机的推力与周期磁场产生装置的产生磁场的增大大致成比例地增大。因此，本发明是高效的。

这里，图9所示的直线电动机的结构只不过是一例，无论使用本发明的周期磁场产生装置(第1～第3实施方式)中的哪个周期磁场产生装置，均能得到同样的结果。并且，由于针对所有直线电动机的构造都是有效的，因此对直线电动机的构造没有限定。

【实施例5】

接着，说明本发明的第5实施方式。

图10是代表本发明的第5实施方式的旋转型电动机的剖面图。

在图10中，以使本发明的周期磁场产生装置(图2)的磁场产生方向位于圆形状的内侧的方式，由构成周期磁场产生装置的磁场磁极以及构成电枢的线圈105构成旋转型电动机，该电枢隔着磁隙与该磁场磁极相对地配置。通过采用这种结构，利用对线圈105通电而在线圈105上产生的磁场与周期磁场产生装置的产生磁场之间的引力和斥力，能够在线圈105为定子时，使作为转子的周期磁场产生装置旋转，并且，能够在周期磁场产生装置为定子时，使作为转子的线圈105旋转。

在旋转型电动机中，第1～第3实施方式中规定的A、B不是作为软磁性材料104的产生磁场侧的长度和主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度，而是分别利用与软磁性材料104的产生磁场侧的长度对应的中心角、以及与主磁极永磁111的背轭铁103侧的长度对应的中心角来进行规定。在该情况下，中心角A与中心角B之间的关系和在第1～第3实施方式中说明的长度A与长度B之间的关系相同。

在本发明的第5实施方式中，相对于比较例，使用了本发明的第2实施方式的周期磁场产生装置所产生的磁通密度增加了50％(0.4T→0.6T)，由此，旋转型电动机的转矩与周期磁场产生装置的产生磁场的增大大致成比例地增大。因此，本发明是高效的。

这里，图10所示的旋转型电动机的结构只不过是一例，无论使用本发明的周期磁场产生装置(第1～第3实施方式)中的哪个周期磁场产生装置，均能够得到同样的结果。并且，由于针对所有旋转型电动机的构造都是有效的，因此对旋转型电动机的构造没有限定。

以上，以直线电动机、旋转型电动机为例进行了说明，但是，本发明针对磁路的形状和所适用的电动机的种类没有限定。

(产业上的可利用性)

本发明的周期磁场产生装置通过变更软磁性材料的形状或主磁极永磁和副磁极永磁的形状，能够使产生磁场正弦波化，或增大产生磁场，所以，能够应用在使用了直线电动机、旋转型电动机的设备的用途中。

本发明的直线电动机、旋转型电动机能够增大推力和转矩，所以，能够应用于半导体/液晶制造装置、电子部件装配机、机床、金属加工机械、工业用机器人等装置。