JP2008220003A - リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 可動子のコイルで発生した熱を効率良く放熱できるリニアモータを提供する。
【解決手段】 ヨーク１と複数のティース２を有する鉄心コアと、ティース２に巻回されたコイル３とを有する可動子を備えたリニアモータにおいて、一部がコイル３の側面部に接触するよう隣接するコイル間に介在されるとともに、このコイル３間に介在される部分より外部に突出する部分に周囲空気への放熱構造２０ａを有する放熱部材２０を、設けた。コイル３内部で発生した熱は、コイル３間の放熱部材２０部分に伝導するとともに、この放熱部材２０部分を通じて端部へ伝導し、端部に設けた放熱構造２０aにより周囲空気へ放熱される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉄心コアと巻回コイルからなる電機子を可動子として備えたリニアモータに係り、特に空冷方式のリニアモータ放熱構造に関するものである。

図９（ａ）は従来のリニアモータの一例を示した縦断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図９において、リニアモータ００は固定子１１と可動子１０で構成される。固定子１１は、複数の永久磁石６と、この永久磁石６を互いに極性が異なるように直線状に並べて配置した固定ヨーク７とで構成されている。可動子１０は、ヨーク１と複数のティース２を有する鉄心コアと、ティース２に樹脂等の絶縁材で成形されたボビン４を介して巻回されたコイル３とからなる電機子を、フレーム５に固定した構成となっている。固定子１１と可動子１０とは、永久磁石６の列と電機子のコイル３の列とが磁気的空隙を介して対向するように配設されている。
このような構成のリニアモータ００において、コイル３に電流を流すと、永久磁石６との電磁作用により、電機子に電磁力による推力が発生し、可動子１０が動作方向３０に直線駆動される。

コイル３に電流が流れると、コイル３には一次銅損によって、またヨーク１とティース２から構成される鉄心コアには鉄損によって、それぞれ熱が発生する。コイル３で発生した熱は、図９に示すように、ボビン４を介して熱流れ４０ｃに従ってティース２に伝導し、ヨーク１を介して熱流れ４０ｄに従ってフレーム５に伝導する。また、鉄心コアで発生した熱も熱流れ４０ｄに従ってフレーム５に伝導する。フレーム５に伝導した熱はフレーム５の表面において周囲空気へ放出される、もしくはフレーム５に取付けた機械に伝導し、取付け機械の表面にて周囲空気へ放出される。このようにフレーム５を介して放熱されるのは、フレーム５および取付け機械がコイル３やヨーク１、ティース２と比べ体積が大きく、そのため周囲空気への放熱のための表面積が大きいこと、および熱容量が大きいことに因る。また、周囲空気へ露出しているコイル端部３ａにおいて、発生する熱の一部が熱流れ４０ｅに従って周囲空気へ放出される。

一方、上述のような構成のリニアモータにおいて、コイルで発生した熱を鉄心コア、フレームを介さず放熱する従来技術として、コイル端部に熱伝導体を接触配置し、コイル熱を熱伝導体へ伝導し、熱伝導体の表面にて周囲空気へ放出する技術がある（例えば特許文献１参照）。

また、冷媒を通す冷却管を隣り合うコイルの間隙に配設し、コイルで発生した熱を側面に接触配置している冷却管へ伝導し、管内を流れる冷媒によって除去する技術がある（例えば特許文献２，３参照）。

特開２００２−１１２５２３号公報（図１〜図４、段落番号００１０〜００２２） 特開２００１−１２８４３８号公報（図１〜図９、段落番号００２６〜００４５） 特開２００２−４４９３２号公報（図１〜 図１２、段落番号００１０〜００２７）

図９で示すようなリニアモータにおいては、コイル熱の主たる放熱経路であるボビン４、ティース２、ヨーク１を介したフレーム５への伝導経路では、伝導の距離が大きく、また前記経路中に熱伝導率の低い絶縁材のボビン４や多くの部材接触部が介在するため、前記経路での熱抵抗が大きく、さらに前記経路中の鉄心コアでは鉄損によって発熱するため、コイル３の温度上昇が大きくなる問題がある。また、フレーム５へ熱を伝導させることは、フレーム５および取付け機械の温度上昇を招き、熱膨張によって位置決め精度を低下させる問題もある。

また、前記経路以外に、コイル端部においても熱が熱伝達によって周囲空気へ放出されるが、周囲空気へ露出しているのがコイル端部３ａ表面のみであるため、放熱面積が小さいという問題がある。

前記問題に対し、周囲空気への放熱のための表面積を増大させる手段として、特開２００２−１１２５２３号公報で開示されているようにコイル端部に熱伝導体を接触配置する方法があるが、熱伝導体が接触するのはコイル端部のみのため、コイル端部で発生する熱の放熱効果は高いものの、端部から距離のあるコイル内部で発生する熱はコイル導線中を伝ってコイル端部まで伝導する必要があるため、コイル端部と比べ熱抵抗が大きく、放熱効果が低い。

また、特開２００１−１２８４３８号公報、特開２００２−４４９３２号公報で開示されているようにコイルの間隙に冷却管を配設し、コイル側面に冷却管を接触させる方法があるが、配設するのが冷却管のため、冷媒を流動させるだけの内径が必要であり、したがって、コイルとコイルの間隙部は小さくできず、可動子の小型化が困難である。また、冷媒を流動させるためのポンプ等の装置が必要であり、リニアモータのシステム全体が大型化する。

本発明は、前述のような課題に鑑みてなされたもので、小型化にも十分対応でき、コイル端部のみならず、コイル内部も含め、コイルを均一に効率良く放熱させることが可能なリニアモータを提供することにある。

本発明に係るリニアモータは、一部がコイルの側面部に接触するよう隣接するコイル間に介在されるとともに、このコイル間に介在される部分より外部に突出する部分に周囲空気への放熱構造を有する放熱部材を設けたものである。

本発明によれば、コイル内部で発生した熱をコイル間に介在する放熱部材に伝導させるとともに、この伝導した熱をコイル間に介在される部分より外部に突出する部分に伝導させ、この突出部分に設けた放熱構造により周囲空気へ放熱することができる。よって、空冷式であるにもかかわらず、コイル間の熱も効率良く放熱させることができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１を図１〜図３を用いて詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明を使用したリニアモータの縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図２は図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、図３は図１で示したリニアモータの放熱経路を説明するための図で、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

図１、図２において、リニアモータ００は固定子１１と可動子１０で構成される。固定子１１は、複数の永久磁石６と、この永久磁石６を互いに極性が異なるように直線状に並べて配置した固定ヨーク７とで構成されている。可動子１０は、ヨーク１とこのヨーク１に所定間隔を介して固定された複数のティース２とを有する鉄心コアと、ティース２に樹脂等の電気絶縁材で成形されたボビン４を介して巻回されたコイル３とからなる電機子を、フレーム５に固定した構成となっている。固定子１１と可動子１０とは、永久磁石６の列と電機子のコイル３の列とが磁気的空隙を介して対向するように配設されている。

また、前記可動子１０の隣りあう前記コイル３の間隙部には、同一構造の放熱部材２０を、コイル３の側面（コイル３の間隙側側面）ならびにコイル端部３ａの側面に接触するように、夫々配設している。また、またこれらの放熱部材２０は、コイル３間に介在する部分より外部に突出する両端部に、可動子１０の動作方向３０と平行に平板状フィンが複数並ぶように構成された放熱構造２０ａを有している。
また、これらの放熱部材２０は、隣接する放熱部材２０同士が、コイル３間に介在する部分より外部に突出する箇所で密接するように配設されている。

また、放熱部材２０は、熱伝導率の高いアルミニウムあるいは銅等の非磁性金属で形成され、コイル３との接触面には電気的絶縁のための絶縁塗装等が施されている。
なお、放熱部材２０は、コイル部分より脱落しないよう電気的絶縁材料からなる締結部品により、コイル３（またはボビン４またはヨーク１）に固定される場合がある。また、放熱部材２０同士が、コイル３間に介在する部分より外部に突出する箇所で、締結部品または溶接により連結される場合もある。

なおまた、図１において、放熱効率、駆動時の騒音低減等を考慮して前記放熱部材２０の両端部の放熱構造２０ａは平板状フィンで構成されているが、フィン形状は平板以外でもよく、例えば円柱状のピンフィンや翼形フィンでもよい。また、フィンの配列は可動子の動作方向３０の同一線上に配列でなく、例えば千鳥配置等のフィン配列にしてもよい。
また、放熱構造２０ａは放熱部材２０の両端部に設ける必要はなく、少なくとも一端部に設けるだけで所期の目的は達成できる。
また、放熱部材２０はコイル間に挿入する単位で分離されているが、各放熱部材２０を一体化構成することにより、放熱部材を構成してもよい。

以上のように、隣りあうコイル３の間隙部に放熱部材２０を配設すると、図３に示すように、コイル内部で発生した熱が熱流れ４０ｆに従って放熱部材２０に伝導し、放熱部材２０を通じて熱流れ４０ｇに従って端部へ伝導する。そして端部の放熱構造２０ａによって熱流れ４０ｈに従って周囲空気に放出されるようになる。即ち、コイル内部で発生した熱の放熱経路が増えるため、コイル端部３ａのみならず、コイル間の熱も良好に放熱できるため、コイル全体を均一に効率良く放熱することができる。
また、空冷式であって、液体冷媒を使った水冷式と比べると冷媒を流動させるための冷却管を配設することが必要ないため、部材配設によって可動子が大型化することなく、かつ前記間隙部が小さくなる場合でも効率的な放熱構成を採ることができる。

実施の形態２
次に本発明の実施の形態２を図４および図５を用いて説明する。
図４は実施の形態２に係るリニアモータの縦断面図、図５は図４に示したリニアモータ００の放熱経路を説明するための縦断面図である。

図４において、リニアモータ００の可動子１０は、ヨーク１と複数のティース２を有する鉄心コアと、ティース２に高熱伝導材で成形された熱伝導部材２１を介して巻回されたコイル３とからなる電機子をフレーム５に固定した構成となっている。なお、熱伝導部材２１は、ボビン形状をなし、内部にティース２が挿入されるとともに、外部にコイル３が巻回される。
また、隣りあうコイル３の間隙部には前記実施の形態１で説明した放熱部材２０が配設されており、この放熱部材２０は、コイル３ばかりでなく前記熱伝導部材２１とも熱的接合されている。

また、熱伝導部材２１は、熱伝導率の高いアルミニウムあるいは銅等の非磁性金属で形成され、コイル３およびヨーク１、ティース２との接触面には電気的絶縁のための絶縁塗装等が施されている。
また、放熱部材２０と熱伝導部材２１との接合部は、接触熱抵抗が小さくなるように、接触面にシリコングリス等を塗布している。
なお、シリコングリス塗布以外に、放熱部材２０と熱伝導部材２１との間にシリコンゴムあるいはフェーズチェンジ材を挿入したり、あるいは放熱部材２０と熱伝導部材２１とを溶接したりしてもよい。

以上のように、鉄心コアとコイル３との間に熱伝導部材２１を配設し、隣りあうコイル３の間隙部に配設した放熱部材２０と前記熱伝導部材２１とを接合すると、図５に示すように、巻回されたコイル３の内側で発生した熱が熱流れ４０aに従って熱伝導部材２１に伝導し、熱伝導部材２１を通じて熱流れ４０ｂ、４０ｄに従ってフレーム５へ伝導する経路以外に、熱伝導部材２１を通じて熱流れ４０ｉに従って放熱部材２０へ伝導し、放熱部材２０によって周囲空気へ放出されるようになる。即ち、放熱部材２０と接しない巻回コイル３の内側部分で発生した熱の放熱経路として、鉄心コアを介してフレーム５へ伝導する熱抵抗の大きい経路以外に熱伝導部材２１を介して放熱部材２０へ伝導する経路が加わり、コイル３全体をより効率良く放熱することができる。

実施の形態３
次に本発明の実施の形態３について図６を用いて説明する。
なお、この実施の形態３は実施の形態２の変形例を示し、図６（ａ）は熱伝導部材と放熱部材とを一体成形した部材の斜視図、図６（ｂ）（ｃ）は図６（ａ）に示す部材を用いたリニアモータの製造方法を説明するための図６（ａ）のＣ−Ｃ線断面図で、図６（ｂ）はコイル巻回前の状態、図６（ｃ）はコイル巻回後の状態を示す図である。

即ち、先ず図６（ａ）に示すように、熱伝導部材２１と放熱部材２０とを一体成形した、熱伝導率の高いアルミニウムあるいは銅等の非磁性金属からなる部材２２を用意する。なお、この部材２２の熱伝導部材２１は、実施の形態２で説明した熱伝導部材と実質的に同一構成で、内部にティース２が挿入されるとともに、外部にコイル３が巻回されるボビン形状を成している。また、ボビン形状熱伝導部材２１の一方のフランジ部両側に、放熱部材２０が一体成形されている。また、この放熱部材２０は、実施の形態１，２で説明した放熱部材と実質的に同一の作用を行うもので、中央部がコイル３の側面に熱的接触することによりコイル３の側面より放熱を促し、この放熱された熱を両端部に設けた放熱構造より放熱するものである。

次に図６（ｃ）に示すように、部材２２にコイル３を巻回した後、放熱部材２０を熱伝導部材２１との接合部を、この放熱部材２０がコイル３の側面と接触するように矢印３１方向に折曲し、反折曲部分を熱伝導部材２１と接合することにより、コイル部分を構成する。しかる後、熱伝導部材２１にティース２を矢印３２方向に挿入するとともに、このティース２をヨーク１に固定することによりリニアモータを構成する。
なお、放熱部材２０と熱伝導部材２１との接合部は、接触熱抵抗が小さくなるように、接触面にシリコングリス等を塗布する。また、熱伝導部材２１は、コイル３およびヨーク１、ティース２との接触面には電気的絶縁のための絶縁塗装等を施す。

この結果、このように製造されたリニアモータは、コイル３間に放熱部材２０の一部が介在するとともに、隣接する放熱部材２０同士が熱的接触し、且つ放熱部材２０と熱的結合される熱伝導部材２１がコイル３とティース２との間に介在する構成となるため、図５で説明した放熱ルートと実質的に同一ルートで放熱されることになる。
また、この実施の形態によれば、放熱部材２０と熱伝導部材２１とが一体化されているため、リニアモータの組立てが容易なものとなる。

なお、本発明による前記各実施の形態による放熱効果は下記のとおりである。
即ち、図７で示されるようなリニアモータ可動子（100mm×20mm×15mmのヨーク１、100mm×8.5mm×24mmのティース２、肉厚0.5mmのボビン４、巻回断面2.8mm×19mmのコイル３で構成されるスロットが１８個並び、速度2.5m/sで移動している可動子）において、表１，２に示すように、コイル３側面に何も取付けない場合（モデル１）と、コイル端部３ａに放熱構造（放熱フィン）２０ａを配設した場合（モデル２）と、隣りあうコイル間隙部に放熱部材２０を配設した場合（モデル３）と、該モデル３においてボビン４を熱伝導部材２１に替え、放熱部材２０と熱伝導部材２１とを接合した場合（モデル４）との放熱性を比較した。

また、比較にあたっては、図８に示されるように、熱抵抗を結んで構成し計算する手法（熱回路網法）を使い、温度計算した。図８において、Ｒｍで示される熱抵抗値には単位面積あたりの熱抵抗0.0175m²K/W（取付機械を介した放熱の熱抵抗）を、Ｒｃで示される熱抵抗値計算に必要な熱伝達率は、等温加熱の平板に沿う層流熱伝達の式（日本機械学会編「電子機器冷却設計ハンドブック」初版の3.2-3頁参照）を、Ｒｆで示される熱抵抗値計算に必要な熱伝達率は、平滑フィンに対するＳｔｅｐｈａｎの式を用いて算出した。なお、図８はモデル４における熱回路網モデルであるが、モデル１の場合はＮ８、Ｎ９、Ｎ１０で示される節点、モデル２の場合はＮ８で示される節点を削除した熱回路網モデルを使用した。
その計算結果は表３のとおりである。

その結果、コイル側面に何も配設しないモデル１と比べ、放熱部材２０を配設したモデル３および熱伝導部材２１を配設したモデル４とでは、コイル内部の温度上昇が33.12[K]：22.22[K]：21.06[K]＝1：0.67：0.64となり、温度上昇が67%から64%と低減することがわかる。また、コイル端部３ａに放熱構造２０ａを配設したモデル２との比較では、コイル内部の温度上昇が23.99[K]：22.22[K]：21.06[K]＝1：0.93：0.88となり、温度上昇が93%から88%と低減し、またコイルの内部と端部との温度差は1.85[K]：0.69[K]：0.71[K]＝1：0.37：0.38となり、コイル内での温度差が37%から38%と低減することがわかる。

この発明は、リニアモータを効率よく空冷する場合に用いられるのに適している。

本発明の実施の形態１に係るリニアモータを示す図で、図１（ａ）はリニアモータの縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の実施の形態１に係るリニアモータの放熱経路を説明するための図で、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施の形態２に係るリニアモータの縦断面図である。 図４に示した本発明の実施の形態２に係るリニアモータの放熱経路を説明するための縦断面図である。 本発明の実施の形態３に係るリニアモータを示す図で、図６（ａ）は熱伝導部材と放熱部材とを一体成形した部材の斜視図、図６（ｂ）（ｃ）は図６（ａ）に示す部材を用いたリニアモータの製造方法を説明するための図で、図６（ｂ）はコイル巻回前の状態、図６（ｃ）はコイル巻回後の状態を示す図である。 本発明の実施の形態の放熱効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態の放熱効果を説明するための図である。 従来のリニアモータを示す図で、図９（ａ）はリニアモータの縦断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

００：リニアモータ、１：ヨーク、２：ティース、３：コイル、３ａ：コイル端部、４：ボビン、５：フレーム、６：永久磁石、７：固定ヨーク、１０：可動子、１１：固定子、２０：放熱部材、２０ａ：放熱構造、２１：熱伝導部材、２２：熱伝導部材と放熱部材の一体部材、３０：可動子の動作方向、３１：折り曲げ加工方向、３２：挿入組立て方向、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ、４０ｆ、４０ｇ、４０ｈ、４０ｉ：熱の流れ。

Claims (9)

1. ヨークと複数のティースを有する鉄心コアと、前記ティースに巻回されたコイルとを有する可動子を備えたリニアモータにおいて、一部が前記コイルの側面部に接触するよう隣接するコイル間に介在されるとともに、このコイル間に介在される部分より外部に突出する部分に周囲空気への放熱構造を有する放熱部材を、備えてなるリニアモータ。
2. 前記放熱部材のコイル間に介在される部分が、隣接するコイルの両側面部に夫々接触する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。
3. 前記放熱部材の放熱構造が、コイル間に介在される部分の両端部に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリニアモータ。
4. 前記放熱部材は、隣接する放熱部材同士が接触するものであることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のリニアモータ。
5. 前記放熱部材の放熱構造は複数の平板状フィンからなり、これらの平板状フィンは可動子の移動方向と平行に配されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載のリニアモータ。
6. 前記鉄心コアと前記コイルとの間に熱伝導部材を配置し、この熱伝導部材と前記放熱部材とを熱的結合させたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のリニアモータ。
7. 前記鉄心コアと前記コイルとの間に配置される熱伝導部材を備え、この熱伝導部材と前記放熱部材とは、予め一体化されていることを特徴とする請求項１、請求項３〜請求項５の何れかに記載のリニアモータ。
8. 前記熱伝導部材は、内部にティースが挿入されるとともに外部に前記コイルが巻回されるボビン形状をなし、この熱伝導部材のフランジ部に、前記放熱部材を予め一体化して設けたことを特徴とする請求項７に記載のリニアモータ。
9. 前記放熱部材は、前記熱伝導部材との結合部が折曲され、前記熱伝導部材に巻回されたコイルの側面部に接触するものであることを特徴とする請求項８に記載のリニアモータ。

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