JP2005137151A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 可動子側ヒートシンクを大きくすることなく、巻線からの熱を十分に放熱できるリニアモータを提供する。
【解決手段】 巻線からの熱が鉄心３５を介して伝達される可動子側ベース３７と可動子側ベース３７に設けられて熱を放熱する複数枚の放熱フィン３９とを備えた可動子側ヒートシンク２９を可動子３に設ける。複数枚の放熱フィン３９から放射される熱を吸熱する複数枚の吸熱フィン２３と複数枚の吸熱フィン２３が設けられた固定子側ベース２１とを備えた固定子側ヒートシンク１１を固定子側１に設ける。複数枚の放熱フィン３９と複数枚の吸熱フィン２３とを、可動子３の移動を阻害することなく複数枚の放熱フィン３９からの放射熱を複数枚の吸熱フィン２３が直接的に吸熱するように交互に並べて配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リニアモータに関するものである。

特開２００１−６９７４５号公報には、複数の永久磁石が列を成すように配置された１以上の磁極列を備えた固定子と、電機子を備えて磁極列に沿って往復動する可動子とを具備したリニアモータが示されている。そして、固定子及び可動子には、ベースと該ベースに設けられた複数枚の放熱フィンとを備えたヒートシンクがそれぞれ固定されている。このリニアモータでは、可動子に固定したヒートシンクにより、巻線からの熱を放熱している。また、固定子も可動子の位置に応じて特定部位に熱が集中することがあるため、このような熱は、固定子に固定したヒートシンクにより放熱している。
特開２００１−６９７４５号公報（図１）

しかしながら、このようなリニアモータでも、巻線からの熱を十分に放熱することはできなかった。なお、可動子側ヒートシンクを大きくして、放熱部分の面積を増やすことも考えられるが、可動子側ヒートシンクを大きくすると、可動子の重量が増えて、モータの負荷が大きくなってしまう。

本発明の目的は、可動子側ヒートシンクを大きくすることなく、巻線からの熱を十分に放熱できるリニアモータを提供することにある。

本発明が改良の対象とするリニアモータは、複数の永久磁石が列を成すように配置された１以上の磁極列を備えた固定子と、鉄心に巻線が装着されてなる電機子を備えて磁極列に沿って移動する可動子と、可動子の巻線で発生した熱を放熱する放熱構造とを備えている。本発明で用いる放熱構造は、可動子側に設けられて巻線からの熱を放熱する１枚以上の放熱フィンと、固定子側に設けられて１枚以上の放熱フィンから放射される熱を吸熱する１枚以上の吸熱フィンとを備えている。そして、１枚以上の放熱フィンと１枚以上の吸熱フィンとは、可動子の移動を阻害することなく１枚以上の放熱フィンからの放射熱を１枚以上の吸熱フィンが直接的に吸熱するように構成する。ここで直接的に吸熱するとは、放熱フィンと吸熱フィンとの間に熱伝達を大きく阻害するものが存在しない状態で熱を吸熱することをいう。

本発明のように、１枚以上の放熱フィンと１枚以上の吸熱フィンとを配置すれば、放熱フィンから吸熱フィンに対して放射熱が伝導するため、巻線からの熱が放熱フィンと吸熱フィンの両方から放熱される。そのため、より大きな表面積で放熱が行われる。その結果、可動子側ヒートシンクを大きくすることなく、巻線からの熱を十分に放熱することができる。

本発明のより具体的なリニアモータでは、放熱構造は、可動子側に設けられて巻線からの熱が鉄心を介して伝達される可動子側ベースと可動子側ベースに設けられて熱を放熱する複数枚の放熱フィンとを備えた可動子側ヒートシンクと、固定子側に設けられて複数枚の放熱フィンから放射される熱を吸熱する複数枚の吸熱フィンと複数枚の吸熱フィンが設けられた固定子側ベースとを備えた固定子側ヒートシンクとを備えている。そして、複数枚の放熱フィンと複数枚の吸熱フィンとは、可動子の移動を阻害することなく複数枚の放熱フィンからの放射熱を複数枚の吸熱フィンが直接的に吸熱するように構成する。このように可動子側ヒートシンク及び固定子側ヒートシンクをベースとベースに設けられた複数枚のフィンとからそれぞれ構成すれば、ベースを可動子または固定子に固定するだけで容易に可動子側ヒートシンク及び固定子側ヒートシンクを可動子及び固定子にそれぞれ設けることができる。

このような場合、複数枚の放熱フィンは可動子が移動する移動方向に延び且つ該移動方向と直交する方向に間隔を開けて配置し、複数枚の吸熱フィンは可動子が移動する移動方向に延び且つ該移動方向と直交する方向に間隔を開けて配置する。そして、複数枚の放熱フィンと複数枚の吸熱フィンとが相互に非接触の状態で直交する方向に交互に並ぶように、可動子側ヒートシンクと固定子側ヒートシンクとを組み合わせるのが好ましい。このようにすれば、可動子の往復動により、放熱フィンと吸熱フィンとは相対的に移動する。そのため、吸熱フィンの表面上の空気の粘性により、放熱フィンの表面上の空気の流れが増加させられる。そのため、前述の放熱フィンから吸熱フィンに対する放射熱の伝導に加えて、放熱フィンの表面上の空気の流れの増加により巻線で発生した熱の放熱が更に促進される。

本発明のリニアモータの固定子及び可動子は種々の構造により構成することができる。例えば、固定子は、磁極列を有する基台と、基台の磁極列が延びる方向の両縁部から立ち上がる一対の壁部と、一対の壁部に両端が固定された固定子側ヒートシンクから構成することができる。そして、可動子は、基台に往復動可能に支持されて、内部を固定子側ヒートシンクが貫通する貫通部を備えた可動ステージと、可動ステージの下方に固定された状態で、一対の壁部の間の空間内に配置される電機子と、電機子に固定されて貫通部内に配置された可動子側ヒートシンクとから構成することができる。このようにリニアモータを構成すれば、複数の吸熱フィンの間を複数の放熱フィンが往復動し、放熱フィンと吸熱フィンとが相対的に移動する構造を容易に構成することができる。

可動子側ヒートシンクの少なくとも複数枚の吸熱フィンに対向する面には、放射熱の発散を促進する物質を塗布するのが好ましい。このようにすれば、可動子側ヒートシンクから複数枚の吸熱フィンへの放熱が促進し、効果的に冷却を行うことができる。このような放射熱の発散を促進する物質としては、液状セラミック等を用いることができる。

固定子側ヒートシンクの少なくとも複数枚の放熱フィンに対向する面には、放射熱の吸熱を促進する物質を塗布する。または表面処理により放射熱の吸熱を促進する物質を形成するのが好ましい。このようにすれば、固定子側ヒートシンクの複数枚の放熱フィンからの吸熱が促進し、効果的に冷却を行うことができる。このような放射熱の吸熱を促進する物質を塗布する場合には黒色系塗料等を用いることができる。放射熱の吸熱を促進する物質を形成する場合には黒アルマイト等で形成することができる。

複数枚の放熱フィンの枚数ｎ枚に対して複数枚の吸熱フィンの枚数がｎ＋１枚とするのが好ましい。このようにすれば、複数の放熱フィンの両側に位置する２枚の放熱フィンは、両面共、吸熱フィンに対向し、複数の吸熱フィンの両側に位置する２枚の吸熱フィンは、一方の面が放熱フィンに対向し、他方の面が外側に露出することになる。そのため、複数の放熱フィンの両側に位置する２枚の放熱フィンの表面上の空気の流れは両面共に、吸熱フィンの表面上の空気の粘性により、空気の流れが増加させられる。そのため、放熱フィンの冷却を効果的に行うことができる。

本発明のリニアモータには、固定子側ヒートシンクを強制的に冷却するための強制冷却手段を更に備えて冷却効果を高めることができる。強制冷却手段としては、例えば、固定子側ヒートシンクの内部に配置されたヒートパイプや冷却剤通路から構成することができる。また、固定子側ヒートシンクに取り付けられて固定子側ヒートシンクの放熱を促進する空冷ファンから構成することができる。

本発明によれば、可動子側ヒートシンクを大きくすることなく、巻線からの熱を十分に放熱することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１及び図２は、本発明の一実施の形態のリニアモータの斜視図及び正面図である。なお、理解を容易にするため、図２においては、後述する壁部９を透明に描き、輪郭を破線で示している。両図に示すように、本例のリニアモータは、固定子１と固定子１に対して往復動する可動子３とを有している。

固定子１は、基台５と基台５に固定された磁極列構成体７と一対の壁部９，９と固定子側ヒートシンク１１とを有している。基台５は、基台本体１３と、一対のレール１５，１５とを有している。基台本体１３は、矩形の底壁１７と、底壁１７の長手方向に延びる一対の縁部からそれぞれ立ち上がる一対の矩形の側壁１９，１９とを有しており、横断面がコの字形を有している。底壁１７の上面には、複数の永久磁石が列を成すように配置されて構成された１以上の磁極列構成体７が固定されている。一対の側壁１９，１９の一方の側壁１９の内面には、図２に示すように、位置検出用スケール２０が配置されている。位置検出用スケール２０は、可動子３の固定子１に対する位置検出に用いるスケールであり、細長い金属板に長手方向と直交する方向に延びる溝が形成されて構成されている。一対のレール１５，１５は、細長い直方体形状を有しており、一対の側壁１９，１９の上面に固定されている。この一対のレール１５，１５には、可動子３が往復動可能に支持されている。

一対の壁部９，９は、矩形状を有しており、底壁１７の磁極列構成体７が延びる方向の両縁部から立ち上がり且つ磁極列構成体７を挟むように基台本体１３の上面に固定されている。

固定子側ヒートシンク１１は、アルミニウムの引き抜き材の一体成型品からなり、矩形の板形状の固定子側ベース２１と、固定子側ベース２１に設けられた９枚の吸熱フィン２３…とを有している。吸熱フィン２３…は、相互に平行に配置されたほぼ矩形の板状を呈しており、可動子３が移動する移動方向に延び且つ該移動方向と直交する方向に間隔を開けて配置されている。吸熱フィン２３…及び固定子側ベース２１の後述する放熱フィン３９…に対向する面には、液状セラミックからなる放射熱の吸収を促進する物質１２（図３）が塗布されている。固定子側ヒートシンク１１は、可動子３が往復動する方向に吸熱フィン２３が延びるように一対の壁部９，９に両端が固定されている。具体的には、吸熱フィン２３…が固定子側ベース２１から基台５の底壁１７側（下方側）に突出するように、吸熱２３…のそれぞれの両端部が一対の壁部９，９に固定されている。

可動子３は、可動ステージ２５と電機子２７と可動子側ヒートシンク２９とを有している。可動ステージ２５は、ほぼ直方体の輪郭を有しており、固定子側ヒートシンク１１が貫通する貫通部２５ａを有している。貫通部２５ａは、固定子側ベース２１が延びる２つの方向と固定子側ベースに向く方向に開口しており、貫通部２５ａの内壁面と固定子側ベース２１とが接触しないように貫通部２５ａの形状は定められている。この可動ステージ２５の両縁部の下面には被支持部材３１が２つずつ固定されている。被支持部材３１は、適宜な手段によって固定子１の一対のレール１５，１５の長手方向に往復動可能になるように、該一対のレール１５，１５の上方に支持されている。また、図２に示すように、可動ステージ２５の被支持部材３１と電機子２７との間の一部には、固定子１の位置検出用スケール２０と対向するように、位置検出用センサ３３が取り付けられている。位置検出用センサ３３は、光学式読み取り機であり、位置検出用スケール２０からの反射光を読み取って可動子３の位置検出を行う。

電機子２７は、鉄心３５に図示しない巻線が装着されたものがモールド成形されて構成されている。図２に示すように、鉄心３５の両縁部３５ａが可動ステージ２５の貫通部２５ａの隣接部２５ｂに接合されることにより、電機子２７は可動ステージ２５の下方に固定されている。このような状態で、電機子２７は、磁極列構成体７と間隔を隔てて対向するように、一対の壁部９，９の間の空間内に配置されることになる。

可動子側ヒートシンク２９は、固定子側ヒートシンク１１と同様にアルミニウムの引き抜き材の一体成型品からなり、矩形の板形状の可動子側ベース３７と、可動子側ベース３７に設けられた８枚の放熱フィン３９…とを有している。放熱フィン３９…は、相互に平行に配置されたほぼ矩形の板状を呈しており、可動子３が移動する移動方向に延び且つ該移動方向と直交する方向に間隔を開けて配置されている。放熱フィン３９…及び可動子側ベース３７の吸熱フィン２３…に対向する面には、液状セラミックからなる放射熱の発散を促進する物質３０（図３）が塗布されている。可動子側ベース３７は鉄心３５の上方に接合されている。具体的には、放熱フィン３９…が可動子側ベース３７から可動ステージ２５側（上方側）に突出するように、可動子側ベース３７は鉄心３５に接合されている。これにより、可動子側ヒートシンク２９は、可動ステージ２５の貫通部２５ａ内に配置された状態で電機子２７に固定されている。そして、８枚の放熱フィン３９…と固定子側ヒートシンク１１の９枚の吸熱フィン２３…とが相互に非接触の状態で、可動子３の移動方向と直交する方向に交互に並ぶように、可動子側ヒートシンク２９と固定子側ヒートシンク１１とは組み合わされている。言い換えるならば、可動子側ヒートシンク２９及び固定子側ヒートシンク１１の一方のヒートシンクの隣接する２つのフィンの間に他方のヒートシンクのフィンが入り込むように、固定子側ヒートシンク１１及び可動子側ヒートシンク２９は対向して配置されている。本例では、放熱フィン３９…の枚数ｎ枚（８枚）に対して吸熱フィン２３…の枚数は、ｎ＋１枚（９枚）であるので、放熱フィン３９…の両側に位置する２枚の放熱フィン３９，３９は、両面共、吸熱フィン２３…に対向する。また、吸熱フィン２３…の両側に位置する２枚の吸熱フィン２３，２３は、一方の面が放熱フィン３９に対向し、他方の面が外側に露出することになる。また、放熱フィン３９…と吸熱フィン２３…との配置は、可動子３の移動を阻害することなく、放熱フィン３９…からの放射熱を吸熱フィン２３…が直接的に吸熱するように定められている。本例では、図３に示すように、放熱フィン３９…及び吸熱フィン２３…のそれぞれの間隔寸法Ｇは３ｍｍであり、両フィンの対向する部分の長さ寸法Ｌは１５ｍｍであった。本例のリニアモータでは、巻線からの熱が鉄心３５を介して可動子側ベース３７に伝達されて、８数の放熱フィン３９…からこの熱が放熱される。そして、図３の矢印に示すように、放熱フィン３９…からの放射熱が吸熱フィン２３…に吸熱される。そのため、巻線からの熱が表面積の大きい吸熱フィン２３…を通じて多量に放熱される。その結果、可動子側ヒートシンク３９…の大きさを大きくすることなく、巻線からの熱を十分に放熱することができる。また、リニアモータの往復動により、放熱フィン３９…と吸熱フィン２３…とは相対的に移動する。そのため、吸熱フィン２３…の表面上の空気の粘性により、放熱フィン３９…の表面上の空気の流れが増加させられる。そのため、電機子２７で発生した熱の放熱が更に促進される。本例では、巻線で発生した熱を放熱する放熱構造が可動子側ヒートシンク２９と固定子側ヒートシンク１１とから構成されている。

図４は、本発明の他の実施の形態のリニアモータの正面図である。本例では、放熱フィン１３９…が可動子側ベース１３７から下方側に突出し、吸熱フィン１２３…が固定子側ベース１２１から上方側に突出するように、可動子側ヒートシンク１２９及び固定子側ヒートシンク１１１は配置されている。具体的には、本例のリニアモータは、基台１０５の基台本体１１３の上面に固定子側ヒートシンク１１１が固定されており、一対の側壁１１９，１１９の対向面に磁極列構成体１０７がそれぞれ固定されている。また、可動ステージ１２５の下方に電機子１２７が固定され、電機子１２７の下方に可動子側ヒートシンク１２９が固定されている。そして、８枚の放熱フィン１３９…と固定子側ヒートシンク１１１の９枚の吸熱フィン１２３…とが相互に非接触の状態で、可動子１０３の移動方向と直交する方向に交互に並ぶように、可動子側ヒートシンク１２９と固定子側ヒートシンク１１１は組み合わされている。

上記各例のリニアモータには、固定子側ヒートシンクを強制的に冷却するための強制冷却手段を更に備えることができる。例えば、図５は、固定子側ヒートシンク２１１の固定子側ベース２２１の内部に、１本のヒートパイプ２４１からなる強制冷却手段を配置した例を示している。ヒートパイプ２４１は、内部に冷媒が配置された管であり、冷媒の気化、液化により、固定子側ベース２２１に局所的な熱が生じた場合に、その熱を他の場所（空冷されやすい場所）に発散させることができる。本例では、両端を除く７本の吸熱フィン２２３…に沿って該７本の吸熱フィン２２３…の付け根部分を延びるように、つづら折り状態でヒートパイプ２４１は配置されている。また、ヒートパイプ２４１の代わりに水、油等の冷却剤を流す冷却剤通路を強制冷却手段として固定子側ヒートシンク２１１内に配置しても構わない。

図６及び図７は、固定子側ヒートシンク１１に固定子側ヒートシンク１１の放熱を促進する空冷ファンを強制冷却手段として取り付けた例を示している。図６に示す例では、固定子側ヒートシンク１１の固定子側ベース２１の長手方向の両端に２つずつ空冷ファン３４３を取り付けている。この例では、固定子側ベース２１の長手方向両端の熱を空冷ファン３４３の送風により冷却する。また、図７に示す例では、固定子側ヒートシンク１１の吸熱フィン２３…の長手方向の両端において、固定子側ベース２１と吸熱フィン２３…とに囲まれた溝に空気を流せるように、２つずつ空冷ファン３４５を取り付けている。それぞれの空冷ファン３４５…は、送風方向が同じ方向になるように設定されている。これにより、固定子側ベース２１と吸熱フィン２３…とに囲まれた溝に空冷ファン３４５…から送風された空気が流れて固定子側ヒートシンク１１は冷却される。なお、このような空冷ファンを備えた固定子側ヒートシンクに図５に示すようなヒートパイプ等を組み合わせることができるのは勿論である。

本発明の一実施の形態のリニアモータの斜視図である。 図１に示すリニアモータの正面図である。 図１に示すリニアモータの固定子側ヒートシンクと可動子側ヒートシンクとの配置を示す図である。 本発明の他の実施の形態のリニアモータの正面図である。 図１に示すリニアモータにおいて、ヒートパイプからなる強制冷却手段を取り付けた例を説明するための図である。 図１に示すリニアモータにおいて、冷却ファンからなる強制冷却手段を取り付けた一例を説明するための図である。 図１に示すリニアモータにおいて、冷却ファンからなる強制冷却手段を図６と異なる態様で取り付けた他の例を説明するための図である。

符号の説明

１ 固定子
３ 可動子
９ 壁部
１１ 固定子側ヒートシンク
２１ 固定子側ベース
２３ 吸熱フィン
２５ 可動ステージ
２７ 電機子
２９ 可動子側ヒートシンク
３７ 可動子側ベース
３９ 放熱フィン
２４１ ヒートパイプ
３４３，３４５ 空冷ファン

Claims (15)

1. 複数の永久磁石が列を成すように配置された１以上の磁極列を備えた固定子と、
   鉄心に巻線が装着されてなる電機子を備えて前記磁極列に沿って移動する可動子と、
   前記可動子の前記巻線で発生した熱を放熱する放熱構造とを備えてなるリニアモータであって、
   前記放熱構造は、
   前記可動子側に設けられて前記巻線からの熱を放熱する１枚以上の放熱フィンと、
   前記固定子側に設けられて前記１枚以上の放熱フィンから放射される熱を吸熱する１枚以上の吸熱フィンとを備え、
   前記１枚以上の放熱フィンと前記１枚以上の吸熱フィンとが、前記可動子の移動を阻害することなく前記１枚以上の放熱フィンからの放射熱を前記１枚以上の吸熱フィンが直接的に吸熱するように構成されていることを特徴とするリニアモータ。
2. 複数の永久磁石が列を成すように配置された１以上の磁極列を備えた固定子と、
   鉄心に巻線が装着されてなる電機子を備えて前記磁極列に沿って移動する可動子と、
   前記可動子の前記巻線で発生した熱を放熱する放熱構造とを備えてなるリニアモータであって、
   前記放熱構造は、
   前記可動子側に設けられて前記巻線からの熱が前記鉄心を介して伝達される可動子側ベースと前記可動子側ベースに設けられて前記熱を放熱する複数枚の放熱フィンとを備えた可動子側ヒートシンクと、
   前記固定子側に設けられて前記複数枚の放熱フィンから放射される熱を吸熱する複数枚の吸熱フィンと前記複数枚の吸熱フィンが設けられた固定子側ベースとを備えた固定子側ヒートシンクとを備え、
   前記複数枚の放熱フィンと前記複数枚の吸熱フィンとは、前記可動子の移動を阻害することなく前記複数枚の放熱フィンからの放射熱を前記複数枚の吸熱フィンが直接的に吸熱するように構成されていることを特徴とするリニアモータ。
3. 前記複数枚の放熱フィンは前記可動子が移動する移動方向に延び且つ該移動方向と直交する方向に間隔を開けて配置されており、
   前記複数枚の吸熱フィンは前記可動子が移動する移動方向に延び且つ該移動方向と直交する方向に間隔を開けて配置されており、
   前記複数枚の放熱フィンと前記複数枚の吸熱フィンとが相互に非接触の状態で前記直交する方向に交互に並ぶように、前記可動子側ヒートシンクと前記固定子側ヒートシンクとが組み合わされている請求項２に記載のリニアモータ。
4. 前記固定子は、
   前記磁極列を有する基台と、
   前記基台の前記磁極列が延びる方向の両縁部から立ち上がる一対の壁部と、
   前記一対の壁部に両端が固定された前記固定子側ヒートシンクを備えており、
   前記可動子は、
   前記基台に往復動可能に支持されて、内部を前記固定子側ヒートシンクが貫通する貫通部を備えた可動ステージと、
   前記可動ステージの下方に固定された状態で、前記一対の壁部の間の空間内に配置される前記電機子と、
   前記電機子に固定されて前記貫通部内に配置された前記可動子側ヒートシンクとを備えていることを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
5. 前記可動子側ヒートシンクの少なくとも前記複数枚の吸熱フィンに対向する面に前記放射熱の発散を促進する物質が塗布されていることを特徴とする請求項３または４に記載のリニアモータ。
6. 前記放射熱の発散を促進する物質が液状セラミック等であることを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
7. 前記固定子側ヒートシンクの少なくとも前記放熱フィンに対向する面に前記放射熱の吸熱を促進する物質が塗布されていることを特徴とする請求項３または４に記載のリニアモータ。
8. 前記放射熱の吸熱を促進する物質が黒色系塗料等であることを特徴とする請求項７に記載のリニアモータ。
9. 前記固定子側ヒートシンクの少なくとも前記放熱フィンに対向する面に前記放射熱の吸熱を促進する物質が形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のリニアモータ。
10. 前記放射熱の吸熱を促進する物質が黒アルマイト等であることを特徴とする請求項９に記載のリニアモータ。
11. 前記複数枚の放熱フィンの枚数ｎ枚に対して前記複数枚の吸熱フィンの枚数がｎ＋１枚であることを特徴とする請求項３または４に記載のリニアモータ。
12. 前記固定子側ヒートシンクを強制的に冷却するための強制冷却手段を更に備えていることを特徴とする請求項３または４に記載のリニアモータ。
13. 前記強制冷却手段は、前記固定子側ヒートシンクの内部に配置されたヒートパイプからなる請求項１２に記載のリニアモータ。
14. 前記強制冷却手段は、前記固定子側ヒートシンクの内部に配置された冷却剤通路からなる請求項１２に記載のリニアモータ。
15. 前記強制冷却手段は、前記固定子側ヒートシンクに取り付けられて前記固定子側ヒートシンクの放熱を促進する空冷ファンからなる請求項１２に記載のリニアモータ。

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