JP2008061458A - 円筒型リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】コア付きタイプの円筒型リニアモータにおいて、簡単な構成でコイルを効率良く冷却できるようにする。
【解決手段】コア付きタイプの円筒型リニアモータにおいて、コイル１７を冷却する冷却手段としてプレート状のヒートパイプ１９を用いる。このプレート状のヒートパイプ１９は、電機子コア１５内部の磁束の流れを妨げないように各コイル１７毎に分断されて電機子コア１５のスロット１６内に装着され、コイル１７と電機子コア１５との間に該ヒートパイプ１９が挟み込まれて両者に密着した状態となっている。ヒートパイプ１９のうちのコイル１７に密着する部分が吸熱部となり、その反対側に延びる放熱部１９ｂが電機子コア１５の隙間２０から外部に突出し、その放熱部１９ｂには、高熱伝導率の金属材料で形成された放熱フィン２１が溶接、ろう付け等により装着されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電機子コアを持つ円筒型リニアモータに関する発明である。

近年、直線往復駆動用のアクチュエータとして円筒型リニアモータが注目されている。この円筒型リニアモータは、「シャフトモータ」とも呼ばれ、Ｎ極とＳ極の磁束を交互に発生するシャフト状の固定子の外側に、複数のコイルを内蔵した可動子を該シャフト状の固定子と同心状に配置し、該可動子に設けた磁気センサ（ホール素子）で固定子の磁極の位置を検出してコイルへの通電を切り換えることで、可動子を固定子に沿って直線駆動するように構成したものが多い。

この円筒型リニアモータは、特許文献１（特開２００２−３５４７８０号公報）に示すように、電機子コアを持つコア付きタイプのものと、特許文献２（ＷＯ２００６／０１１６１４号公報）に示すように、電機子コアの無いコアレスタイプのものがある。いずれのタイプにおいても、可動子のコイルへの通電による発熱が問題となる場合は、コイルの温度が許容温度を越えないように冷却対策を施す必要がある。

そこで、特許文献１のコア付きタイプの円筒型リニアモータでは、電機子コアを収納する外フレームの４隅に冷媒流路を形成し、この冷媒流路に冷媒を流すことで可動子を冷却するようにしている。

また、特許文献２のコアレスタイプの円筒型リニアモータでは、可動子のコイルの外周面にプレート状ヒートパイプを密着させるように装着してコイルを直接冷却するようにしている。
特開２００２−３５４７８０号公報 ＷＯ２００６／０１１６１４号公報

上記特許文献１のコア付きタイプの円筒型リニアモータの冷却構造では、電機子コアを収納する外フレームの冷媒流路に冷媒を流すことで、外フレームを冷却し、その冷却効果で電機子コアを冷却して、更にその冷却効果でコイルを冷却することになるため、外フレームや電機子コアをコイルの許容温度よりもある程度低い温度に冷却し続ける必要がある。このため、外フレームや電機子コアは、本来的にはコイルよりも高温になっても問題がないにも拘らず、これらをコイルの許容温度よりもある程度低い温度に冷却し続ける必要があり、しかも、外フレームと電機子コアを介する間接的なコイルの冷却であるため（更に積層鋼板で形成した電機子コアは熱伝導性が悪いため）、コイルの冷却効率が悪いという欠点がある。しかも、外フレームの冷媒流路に冷媒を循環させるシステムが必要となり、構成が複雑化してコスト高になるという欠点もある。

一方、特許文献２のコアレスタイプの円筒型リニアモータの冷却構造では、コイルの外周面にプレート状ヒートパイプを密着させてコイルを直接冷却する構成であるため、コイルの冷却効率が高いという利点がある。しかし、コアレスタイプは、コア付きタイプと比較して、モータ効率が悪く、消費電力が多くなるという欠点がある。

上記特許文献２のプレート状ヒートパイプによる冷却技術をコア付きの円筒型リニアモータに適用する場合、外フレームや電機子コアの外周面にプレート状ヒートパイプを密着させて冷却する構成が考えられる。しかし、この構成でも、外フレームや電機子コアを介してコイルを間接的に冷却することになるため、コイルの冷却効率が悪いという欠点がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、コア付きタイプの円筒型リニアモータにおいて、簡単な構成でコイルを効率良く冷却できるようにすることである。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、Ｎ極とＳ極の磁束を交互に発生するシャフト状の固定子と、電機子コアの内周側に複数のコイルを装着した可動子とを備え、前記固定子の外周側に前記可動子を軸方向に移動可能に配置し、前記可動子の移動位置に応じて前記複数のコイルへの通電を切り換えることで前記可動子を前記固定子に沿って直線駆動する円筒型リニアモータにおいて、前記電機子コアと前記コイルとの間に該電機子コア内部の磁束の流れを妨げないように冷却手段を配設したものである。

本発明のコア付きタイプの円筒型リニアモータによれば、冷却手段によってコイルを直接冷却できるため、簡単な構成でコイルを効率良く冷却することができると共に、冷却手段によって電機子コア内部の磁束の流れを妨げることがなく、モータ効率を低下させずに済む。

この場合、請求項２のように、電機子コアとコイルとの間に、該電機子コア（鉄）よりも熱伝導率の高い高熱伝導部材を冷却手段として配設し、この高熱伝導部材の一部を可動子の外部に露出させて放熱部を形成した構成とすると良い。この構成では、コイルの発熱を高熱伝導部材の高い熱伝導作用によって放熱部から効率良く放熱させることができる。

ここで、高熱伝導部材は、例えば、アルミニウム、銅、銀等の高熱伝導率の金属材料を用いても良いし（銅の熱伝導率は鉄の約５倍である）、或は、高熱伝導化された特殊金属材料を用いても良い。

或は、請求項３のように、高熱伝導部材としてヒートパイプを用いても良い。ヒートパイプを用いれば、極めて高い冷却効率を実現できる。

また、請求項４のように、冷却手段（高熱伝導部材）は、電機子コアに形成されたコイル装着用のスロット毎に分断して該スロット内に装着するようにすれば良い。このようにすれば、電機子コアのスロット内に装着するコイルとスロット内周面との間に冷却手段（高熱伝導部材）を挟み付けて、コイルとスロット内周面とを冷却手段（高熱伝導部材）に密着させた状態に組み付けることが可能となり、電機子コアへの冷却手段（高熱伝導部材）の組付作業が簡単であると共に、コイルと冷却手段（高熱伝導部材）と電機子コアとの間の熱伝達性ひいては冷却性を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した２つの実施例１，２を説明する。

本発明の実施例１を図１乃至図４に基づいて説明する。ここで、図１は円筒型リニアモータの可動子と固定子の一部を破断して示す正面図、図２は円筒型リニアモータの磁気回路と冷却手段の構成を説明する縦断正面図、図３は円筒型リニアモータの可動子と固定子の縦断側面図、図４は円筒型リニアモータの可動子と固定子の一部を示す平面図である。

図１及び図２に示すように、円筒型リニアモータの固定子１１は、鉄等の磁性材料で形成された円筒状のシャフト１２の外周面に、その軸方向に多数の円環状の永久磁石１３を等間隔に配置して接着等により固定して構成されている。各永久磁石１３は、それぞれ複数の円弧状磁石片を組み合わせて円環状に構成され（図３参照）、図２に示すように、外周面側がＮ極に着磁された永久磁石１３と、外周面側がＳ極に着磁された永久磁石１３とが交互に配置されている。なお、図１においては、永久磁石１３の外周面側の磁極のみが「Ｎ」、「Ｓ」で表示されている。

このシャフト状の固定子１１に対して、円筒型の可動子１４が軸方向に移動自在に設けられている。この円筒型の可動子１４は、円筒型の電機子コア１５の内周部に軸方向に等間隔に形成した円形溝状の複数のスロット１６にそれぞれコイル１７を装着して構成され、該可動子１４の内周面（電機子コア１５の内周面及びコイル１７の内周面）と固定子１１の外周面（永久磁石１３の外周面）との間には、両者の衝突を避けるための空隙（エアギャップ）が設けられている。円筒型の電機子コア１５は、鉄等の磁性材料で形成した一対の半円筒コア１５ａ，１５ｂをその軸方向両端で円環状ホルダ１８により連結して構成され、一対の半円筒コア１５ａ，１５ｂ間には、後述するプレート状のヒートパイプ１９の放熱部１９ｂを可動子１４の外部に突出させるための２本の隙間２０が軸方向に延びるように設けられている。

この電機子コア１５の各スロット１６の奥部には、それぞれプレート状のヒートパイプ１９（高熱伝導部材）が嵌め込まれ、各ヒートパイプ１９がコイル１７と電機子コア１５との間に挟み込まれて両者に密着した状態となっている。各ヒートパイプ１９は、パイプ部がアルミニウムやマグネシウム等の高熱伝導率の金属材料で形成され、その内部に形成された細孔内にブタン、水、フレオン、アンモニア等の作動液（熱交換媒体）を封入して構成されている。

図３に示すように、各コイル１７毎にヒートパイプ１９が２本ずつ設けられ、各ヒートパイプ１９のうちのコイル１７に密着する部分が吸熱部１９ａとなり、その反対側に延びる放熱部１９ｂが電機子コア１５の隙間２０から外部に突出している。更に、放熱効果を高めるために、各ヒートパイプ１９の放熱部１９ｂには、高熱伝導率の金属材料で形成された放熱フィン２１が溶接、ろう付け等により装着されている。尚、放熱フィン２１に代えて、ヒートシンクを装着しても良く、また、冷却ファンを取り付けても良い。

以上説明した本実施例１では、コイル１７を冷却する冷却手段となるプレート状のヒートパイプ１９は、電機子コア１５内部の磁束の流れ（図２参照）を妨げないように各スロット１６毎に分断されて電機子コア１５のスロット１６内に装着され、コイル１７と電機子コア１５との間に該ヒートパイプ１９が挟み込まれて両者に密着した状態となっている。この構成では、電機子コア１５へのヒートパイプ１９の組付作業が簡単であると共に、前記特許文献２とは異なり、ヒートパイプ１９によってコイル１７を直接冷却することができ、簡単な構成でコイル１７を効率良く冷却することができると共に、電機子コア１５もヒートパイプ１９によって効率良く冷却することができる。しかも、ヒートパイプ１９を各スロット１６毎に分断して装着しているため、ヒートパイプ１９によって電機子コア１５内部の磁束の流れ（図２参照）を妨げることがなく、モータ効率を低下させずに済む。

尚、本実施例１では、円筒型の電機子コア１５を構成する一対の半円筒コア１５ａ，１５ｂ間には、ヒートパイプ１９の放熱部１９ｂを可動子１４の外部に突出させるための２本の隙間２０が軸方向に延びるように設けられているが、図２に示すように、電機子コア１５内部の磁束の流れは、電機子コア１５の円周方向（外周方向）の流れではなく、軸方向と径方向（放射方向）に沿って循環する流れとなるため、軸方向に延びる隙間２０によって電機子コア１５内部の磁束の流れが分断されることがなく、モータ効率を低下させずに済む。

前記実施例１では、電機子コア１５を構成する一対の半円筒コア１５ａ，１５ｂをそれぞれ一体物として形成したが、図５に示す本発明の実施例２では、電機子コア２５を構成する一対の半円筒コア２５ａ，２５ｂをそれぞれ内周側と外周側とに分割して形成し、その外周側の半円筒部２５a1，２５b1の内周側に、スロット２６を形成するための半円環部２５a2，２５b2を溶接、ろう付け、ねじ止め等により固着することで、スロット２６を有する一対の半円筒コア２５ａ，２５ｂを構成し、この一対の半円筒コア２５ａ，２５ｂをその軸方向両端で円環状ホルダ１８により連結して円筒型の電機子コア２５を構成している。その他の構成は、前記実施例１と同じである。
以上のように構成した本実施例２でも、前記実施例１と同様の効果を得ることができる。

尚、上記実施例１，２では、コイル１７を冷却する冷却手段としてプレート状のヒートパイプ１９を用いたが、本発明はこれに限定されず、電機子コア１５を形成する鉄等の磁性材料よりも熱伝導率の高い高熱伝導部材であれば、例えば、アルミニウム、銅、銀等の高熱伝導率の金属材料を用いても良いし（銅の熱伝導率は鉄の約５倍である）、或は、高熱伝導化された特殊金属材料を用いても良い。

また、上記実施例１，２では、電機子コア１５の各スロット１６，２６の奥部にヒートパイプ１９を密着させるようにしたが、各スロット１６，２６の両側面部又は片方の側面部にヒートパイプ１９を密着させるようにしても良く、勿論、各スロット１６，２６の奥部と側面部の両方にヒートパイプ１９を密着させるようにしても良い。

その他、本発明は、永久磁石１３間に非磁性のスペーサを介在させて永久磁石１３の間隔を規制するようにしたり、電機子コア１５，２５を積層鋼板で形成しても良い等、固定子１１や可動子１４の構成を適宜変更しても良い。

本発明の実施例１の円筒型リニアモータの可動子と固定子の一部を破断して示す正面図である。 実施例１の円筒型リニアモータの磁気回路と冷却手段の構成を説明する縦断正面図である。 実施例１の円筒型リニアモータの可動子と固定子の縦断側面図である。 実施例１の円筒型リニアモータの可動子と固定子の一部を示す平面図である。 実施例２の円筒型リニアモータの可動子と固定子の一部を破断して示す正面図である。

符号の説明

１１…固定子、１２…シャフト、１３…永久磁石、１４…可動子、１５…電機子コア、１５ａ，１５ｂ…半円筒コア、１６…スロット、１７…コイル、１９…プレート状のヒートパイプ（冷却手段，高熱伝導部材）、１９ａ…吸熱部、１９ｂ…放熱部、２１…放熱フィン、２５…電機子コア、２５ａ，２５ｂ…半円筒コア、２６…スロット

Claims (4)

1. Ｎ極とＳ極の磁束を交互に発生するシャフト状の固定子と、電機子コアの内周側に複数のコイルを装着した可動子とを備え、前記固定子の外周側に前記可動子を軸方向に移動可能に配置し、前記可動子の移動位置に応じて前記複数のコイルへの通電を切り換えることで前記可動子を前記固定子に沿って直線駆動する円筒型リニアモータにおいて、
   前記電機子コアと前記コイルとの間に該電機子コア内部の磁束の流れを妨げないように冷却手段を配設したことを特徴とする円筒型リニアモータ。
2. 前記電機子コアと前記コイルとの間に、該電機子コアよりも熱伝導率の高い高熱伝導部材を前記冷却手段として配設し、前記高熱伝導部材の一部を前記可動子の外部に露出させて放熱部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の円筒型リニアモータ。
3. 前記高熱伝導部材は、ヒートパイプにより構成されていることを特徴とする請求項２に記載の円筒型リニアモータ。
4. 前記冷却手段は、前記電機子コアに形成されたコイル装着用のスロット毎に分断されて該スロット内に装着されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の円筒型リニアモータ。

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