JP2004297845A

JP2004297845A - リニアモータ用コイル体

Info

Publication number: JP2004297845A
Application number: JP2003082817A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Munakata; 浩昭宗像; Yukie Akagi; 幸英赤木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Hitachi Metals Kiko Co Ltd
Current assignee: Neomax Kiko Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】コイルを液体で冷却するために熱容量の大きい水を使う場合、できるだけ直接的にコイルと接触させるほど、コイルの熱が良好に水に伝わり効果的である。このようにする場合、水が絶対に導体に接触しないよう、高い防水性能を持った封止部材を、水とコイルを隔てるようにコイルに被覆することが必要になる。
【解決手段】表面に絶縁被膜を有する導線を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたシリコーン樹脂からなる封止部材とを有するリニアモータ用コイル体。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リニアモータの電機子に用いるコイル体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、永久磁石と電機子コイルを相対的に移動させ、直線的な移動と位置決めを行うリニアモータは、半導体製造装置などに多数使用されてきた。しかし、従来のリニアモータは、ほとんどがストロークが１０００ｍｍ以下で推力も５００Ｎ程度であったが、最近ではそれ以上の長ストローク、大推力のものが求められるようになっている。このため、コイルに流す電流が大きくなり、発生する熱量も大きくなっている。コイルが発熱すると、コイル自体の電気抵抗値が上昇し、ジュール熱損失が増大することから実効電力が減少するだけでなく、永久磁石にコイルからの熱が伝達されて温度が上昇し、熱減磁により発生磁束が減少することで発生推力が減少するという問題があり、コイルを冷却することは重要である。
【０００３】
リニアモータのコイルを冷却する技術については、従来から自然空冷、強制空冷、冷却液使用など多数の技術が開示されているが、熱容量の大きな水が使えれば最も効果的である。しかし、水は導電性があり、導線が水と接触するとショートを起こしてしまうため、その使い方が難しい。このような水を、冷却液として用いることが記載されている公知例として例えば下記に示すようなものがある。
【０００４】
特許文献１には、表面が絶縁被膜された導線を所定の回数巻いて形成されたコイルの周囲を樹脂で被覆して形成した内側ハウジングと、該内側ハウジングの外側を囲んで密閉して収納する外側ハウジングとの二重構造で構成され、コイルに電流を流すことにより発熱した内側ハウジングを冷却する冷媒を内側と外側のハウジングの隙間に充填した磁界発生装置において、冷媒として水やフッ素系流体を用い、被覆部材としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂などの非磁性体材料を用いることが記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、リニアモータにおけるコイルを、コア部材に、絶縁層を有する箔状導体を積層して形成し、このコイルの外面部を電気的絶縁フィルムで覆い、コイル自身をジャケットで覆い、ジャケット内に不活性冷媒や純水もしくは強制エアを流して冷却する構成が記載されている。前記電気的絶縁フィルム材として、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２３７１１７
【特許文献２】
特開２００２−１７６７６１
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
コイルを液体で冷却するために熱容量の大きい水を使う場合、できるだけ直接的にコイルと接触させるほど、コイルの熱が良好に水に伝わり効果的である。このようにする場合、水が絶対に導体に接触しないよう、高い防水性能を持った封止部材を、水とコイルを隔てるようにコイルに被覆することが必要になる。このためには、封止部材は、水を透さない材料を用いるだけでなく、水が物理的に接触しないようにコイルを密閉的に覆うようにするとともに、長時間経過後も水が侵入しないように内部に微小穴やピンホール等がないようにしなければならない。さらに、コイルの熱を水に効率的に伝達するためには、できるだけ薄く被覆しなければならない。
【０００８】
この点で、特許文献１においては、被覆部材は所定外形サイズのハウジングを形成することから、その部材は厚く、熱伝達という点で効率的とは言えない。また、使用するエポキシ樹脂やフェノール樹脂は吸水率が、０．２〜０．６程度と比較的大きく、ある程度の厚さに形成するにしても、長期的な信頼性には懸念がある。また、特許文献２で開示されているポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂については、特にポリウレタン樹脂は吸水率が約１と大きいことから、実際に水を冷媒として用いることができるか疑問である。
【０００９】
従って、本発明は、冷却水を直接的に接触させても、ショートなど電気的不具合を生じることなく、効果的に熱を逃がすことができるリニアモータのコイル体を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に絶縁被膜を有する導線を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたシリコーン樹脂からなる封止部材と、を有することを特徴としている。前記シリコーン被膜は、注型成形法において型のキャビティを真空引きしながらシリコーン樹脂を充填することで形成されることが好ましい。
また本発明は、表面に絶縁被膜を有する導線を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたＰＰＳ樹脂からなる封止部材と、を有することを特徴としている。
【００１１】
前記発明における封止部材の厚さは、０．１〜０．５ｍｍが好ましい。封止部材は、薄いほど熱伝達抵抗が小さくコイルを冷却するのに効果的である。約０．１ｍｍ厚さであれば水の封止性には問題がないが、封止部材は型にコイルをセットし、型とコイルの隙間に樹脂を注入して成形するため、コイルの外形寸法のバラツキを考慮すると、０．１ｍｍが限界である。それ未満の厚さを狙うと被膜が不完全なものになる恐れがある。生産性を考慮すると型とコイルの隙間は大きい方がよいが熱伝達抵抗の増大を抑えるにはノミナル値で０．３ｍｍから０．５ｍｍの隙間とするとよいことから０．５ｍｍを好ましい範囲の上限とした。この時の封止部材の厚さは、コイルの厚さ方向より、コイル外径方向の方を大きくなるようにすることができる。これは、本発明に係る平型コイルについては、その巻線の方向から、厚さ方向の寸法バラツキは外径方向のそれより小さいため、型の隙間を、厚さ方向は狭く、外径方向は広くするようにできるためである。
また、本発明における前記コイルは、内周部にボビンを備え、前記封止部材は、ボビンとコイルの当接部を覆ってボビンにくいこんで被膜されるようにしてもよい。
また、本発明のコイル体は、リニアモータの電機子コイル冷却用ジャケットに装着され、ジャケット内を流れる水と直接接触するようにすることができる。
また、本発明における前記コイルは、エナメル線を巻いて形成されることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照しながら詳しく説明する。
一般にコイルには、巻線時の占積率を大きくするため、薄い絶縁材が被覆された単線が用いられており、本発明におけるコイルには例えばエナメル線を用いることができる。エナメル線は、ＪＩＳのＣ３２０２で規定されているように、導線の周囲にポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド樹脂などの絶縁膜が被膜されている。この絶縁被膜は、導線の太さにもよるが、剥離しなくてもはんだ付けができる程度の、例えば直径０．３ｍｍの導線では１０μｍ前後の薄さであり、内部のピンホールも許容されており、吸水率も約１前後と大きいため、導線から水を封止する作用は有していない。
【００１３】
本発明のコイル体１は、リニアモータの電機子に用いられるコイルに係り、図１に示すように、冷却ジャケット２の所定位置に一直線状に装着される。図２に図１のＡ−Ａ断面を示すが、コイル体１は、エナメル線が所定数巻かれた平型のコイル３と、コイル３の内周部に在ってジャケット２への取り付け具として用いられるボビン４と、コイル３を被覆する封止部材５とを有している。ボビン４は、ジャケット２への位置決め用穴部６を有した部材で、外周部には、外周に沿った溝７が、上面と下面のそれぞれに環状に形成され、溝７の外側はフランジ８となる。フランジ８の厚さｗは、ボビン４の基部厚さＷと同一か、封止部材５の厚さ程度分小さくするとよい。ボビン４の材質としては、吸水率が小さく、電気的絶縁性があり、かつ剛性があるガラスエポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、セラミック、ＳＵＳなどを用いることができる。
【００１４】
コイル３は、巻線治具を用い、内周部はボビン４のフランジ８の外周に嵌装されるような形状で、厚さはフランジ８の幅ｗとほぼ同一で、外形は例えば略矩形の所定の形状になるように、所定回数巻かれて形成される。巻線治具から引き抜かれたコイル３は、熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂を塗布されて乾燥固化され、その形状が保持される。なお、エナメル線として、自己融着性のワニスが絶縁皮膜上に焼き付けられた自己融着線を用いれば、上記樹脂塗装は行う必要はない。巻線形状が保持されたコイル３はフランジ８に装着されて一体化され、コイル３に防水のための封止処理が施される。
【００１５】
封止部材５には、吸水率が小さく、かつ疎水性が強いシリコーン樹脂を用いる。シリコーン樹脂は流動性がよいので、注型成形によって薄い膜を成形することができる。注形成形においては、コイル３付きのボビン４を型にセットし、真空ポンプでエアーを引いて周囲雰囲気を負圧にした状態で、シリコーン樹脂を注入することが好ましい。このようにすると、シリコーン樹脂への空気巻き込みを防止できるので、厚さが０．１ｍｍ程度の薄い膜でも、気泡やピンホールをほとんどなく成形することができる。
【００１６】
被膜厚さは、熱伝達の点では薄い方が好ましいが、強度面からの信頼性やコイルの寸法精度を考慮して少し厚めに規定するとよい。整列巻線したコイルでも、どうしても寸法にはバラツキが生じ、コイル外径方向の寸法バラツキは、厚さ方向のバラツキに比べて大きくなる傾向がある。このため、成形機の型を、このバラツキを許容できるような、コイル厚さ方向は隙間が小さく外径方向は隙間が大きい成形空間が形成されるようにセットし、被膜厚さが、例えば厚さ方向ｔ１で０．３ｍｍ、外径方向ｔ２で０．５ｍｍとなるようにする。この被膜厚さは、成形空間の寸法値とコイル成形寸法値から算出されるノミナル値であるが、図３に示すように、被膜表面とエナメル線頂部までの寸法ｔの平均値で求めてもよい。
【００１７】
図２に示すように、封止部材５は、コイル３の、フランジ８との当接面以外の表面だけでなく、フランジ８の上、下面を超えて溝７まで入り込むように被覆するとよい。これにより、フランジ８の外周面部とコイル３の内周面部との間に存するわずかな隙間は覆われてしまい、隙間から水が侵入することはない。封止部材５としては、吸水率が約０．０２％と小さいＰＰＳ（ポリフェニンレンサルファイド）樹脂も用いることができる。ＰＰＳはシリコーン樹脂に比べて流動性が悪いので、被膜成形は射出成形で行うとよい。
【００１８】
このようにして形成したコイル体１を収納したジャケット２には、内部に熱容量が大きくて冷却能力が高く、特別な廃水処理がいらずランニングコストが安い水を流すことができ、かつ、コイルを薄い封止部材を介してほぼ直接的に冷却することができる。なお、水としては、コイル体１やジャケット２表面に不純物を付着させずに、冷却能力を長期にわたって維持することができる純水を用いることが好ましい。なお、水の他にフッ素系流体たとえばフロリナート（スリーエム社製）などを用いることもできる。また、このコイル体１は、ジャケット２への位置決め固定にボビン４を用いるので、コイル３表面の封止部材５が応力を受けて剥離・損傷するような恐れが少なく防水の信頼性が高いだけでなく、コイル３はリニアモータ電機子に精度良く固定されるので、リニアモータの位置決め精度を良好にすることができる。
【００１９】
以上、コイル体として、別工程で巻線されたコイルをボビンに装着した構成のもので説明したが、ボビンを巻線治具にセットし、直接ボビンに巻線してコイルを形成した形態であってもよい。さらには、ボビンを用いず、巻線治具で形成したコイルの全面に封止部材を被膜した形態であってもよい。この場合は、ジャケットの所定位置に設けた凹凸部等に、コイル外周部又は内周部を入れ込んで装着するとよい。
【００２０】
【実施例】
導線径が０．５ｍｍ、１７μｍ厚さのポリエステル樹脂で絶縁被覆された自己融着性のエナメル線で、厚さ８ｍｍ、外周部の長辺１１０ｍｍ、短辺４７ｍｍ、内周部の長辺８２ｍｍ、短辺２２ｍｍのコイルを形成し、この周囲に下記仕様の樹脂を全表面に被膜したサンプルを５個づつ作成し、その防水能力が本来のコイル機能を維持できるものであるか否かを比較評価した。評価は、水中に浸漬した状態で、絶縁抵抗、絶縁耐圧、寸法変化をみることで行うことができ、例えば、サンプルを水道水中（水温２３℃保持）に置き、電流４Ａ連続通電し２４時間経過後の絶縁抵抗と絶縁耐圧及び外形寸法の変化をみた。
【００２１】
表１に２４時間経過後の結果を示す。なお、５個のサンプルのうち、１個でも異常が生じたものについては、そのものの状態を記載している。
【００２２】
【表１】

【００２３】
サンプルＮＯ．１〜３が本発明に係るコイルであり問題はなかった。サンプルＮＯ．４〜６は従来技術に記載の樹脂を用いた比較例であり、被膜厚さを約０．６ｍｍと厚くしたが、いずれも試験開始後の初期の段階で、水が封止樹脂を透りエナメル線にまで侵入した。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、コイルが水を透さない樹脂で被覆され完全に水から封止されているので、コイルをほぼ直接的に水で冷却することができる。また、その被膜厚さが薄いので、コイルの熱を速やかに水に伝達することができる。さらに、注型真空成形で成形することで、被膜に気泡やピンホールを生じないようにしているので、防水能力の信頼性が高い。また、コイルにボビンを取り付け、ボビンをジャケットに取り付けることにより、被膜の剥離・損傷を防ぎ、かつコイルを精度良く配列しているので、リニアモータの品質信頼性と精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコイル体を配列した冷却ジャケットの平面図（一部断面）。
【図２】本発明のコイル体の一形態を示す断面図。
【図３】コイル表面に被膜された封止樹脂の厚さを説明する図。
【符号の説明】
１…コイル体、２…ジャケット、３…コイル、４…ボビン、
５…封止部材、６…位置決め用穴部、７…溝、８…フランジ

Claims

表面に絶縁被膜を有する導線を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたシリコーン樹脂からなる封止部材と、を有することを特徴とするリニアモータ用コイル体。
シリコーン被膜は、注型成形法において型のキャビティを真空引きしながらシリコーン樹脂を充填することで形成された請求項１記載のリニアモータ用コイル体。
表面に絶縁被膜を有する導線を巻いて形成されたコイルと、コイル表面に被膜されたＰＰＳ樹脂からなる封止部材と、を有することを特徴とするリニアモータ用コイル体。
前記封止部材の厚さは、０．１〜０．５ｍｍである請求項１乃至３のいずれか記載のリニアモータ用コイル体。
前記封止部材の厚さは、コイルの厚さ方向より、コイル外径方向の方が大きい請求項４記載のリニアモータ用コイル体。
前記コイルは内周部にボビンを備え、前記封止部材は、ボビンとコイルの当接部を覆ってボビンにくいこんで被膜されている請求項１乃至５もいずれか記載のリニアモータ用コイル体。
リニアモータの電機子コイル冷却用ジャケットに装着され、ジャケット内を流れる水と直接接触する請求項１乃至６のいずれか記載のリニアモータ用コイル体。
前記コイルはエナメル線を巻いて形成されている請求項１乃至７のいずれか記載のリニアモータ用コイル体。