JP2012228008A

JP2012228008A - リニアモータ

Info

Publication number: JP2012228008A
Application number: JP2011091640A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Araya; 一朗新家; Satoru Tajima; 知田嶌; Shuichi Kawada; 秀一川田
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: JP5596613B2

Abstract

【課題】推力がより大きい筒型リニアモータが望まれる。
【解決手段】
一次側可動子２は、中空部位２Ｃを有する。一次側可動子２は、一対の二次側固定子３の第１の二次側固定子１０と第２の二次側固定子２０との間に形成される空間１Ａに移動可能に配置される。第１の二次側固定子１０は、極性配置が反対の永久磁石１０Ａと永久磁石１０Ｂとを長手方向に交互に配列して筒形状に形成される。二次側固定子２０は、永久磁石２０Ａと永久磁石２０Ｂとを交互に配列して形成される。リニアモータ本体１の一端に給排気装置４が設けられる。給排気装置４は、一端側から空間１Ａに直線的に所定の風量と風圧の気体を供給して電機子２Ｂを冷却し、冷却に供されて空間１Ａに滞留する高温の気体を他端側から排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次側の電機子が可動子であって二次側の界磁である永久磁石が固定子であるリニアモータに関する。特に、一次側可動子が一対の筒形状の二次側固定子の間を移動する形式の筒型リニアモータに関する。

高い位置決め精度が要求されるリニアモータでは、コアレスモータが有利であることが知られている。コアレスモータは、鉄心がないのでコギングトルクによるリップルがない。また、電機子が比較的軽量であるため、電機子を可動子にすることで高い応答性を得ることができる。とりわけ、交流同期コアレスモータは、比較的効率が高い点で優位である。そのため、交流同期コアレスモータは、精密加工機械あるいは測定器のような精密機器の移動装置の移動体を移動させるためのアクチュエータに適している。

反面、コアレスモータは、強い磁界を発生させることができる鉄心がないため、有鉄心のコア付リニアモータに比べて同じ駆動電流で動かすことができる移動体の限界質量が小さい。コアレスモータの利点を生かしながら移動させることができる移動体の質量をより大きくするためには、推力をより大きくすることが望まれる。また、推力を大きくすることによって、応答速度や最大加速度のような基本的な性能が向上することが期待できる。

しかしながら、電機子に供給する電流を大きくしすぎると、電機子を十分に冷却することができないため、電機子のコイルの発熱による熱損失が大きくなるだけではなく、コイルを焼損させるおそれがある。そのため、電機子に供給する電流を増大することによって推力を上げようとする場合は、電機子の冷却効率を一層向上させることが肝要である。

液体を冷媒としてコイルを直接冷却することが、電機子の冷却効率を高くするために最も有効な方法である。特許文献１は、銅線の巻線でなるコアレスコイルを冷却管に通すように配設してコイルを液体で直接冷却することができるコアレスモータを開示している。しかしながら、構造上の問題によって、冷却管にコアレスコイルを通すことができないコアレスモータが存在する。

シャフト型モータは、筒型リニアモータの１つである。シャフト型モータは、固定子と可動子の一方が棒体で他方が中空体であり、一方の中空部位に他方が挿嵌される構造のリニアモータである。１つの移動体に対して複数のシャフト型モータを平行に設けることによって大きな推力を得るようにすることができる。また、可動子が固定子に沿って移動することから、比較的軽量でコンパクトである利点を有する。特許文献２は、シャフト型モータの冷却システムを開示している。

特開平１０−２３７３５号公報特開２００１−２１８４４３号公報

液体を冷媒とする冷却システムは、閉じた冷却回路が必要である。そのため、リニアモータの構成が複雑である。特に、可動子が電機子である場合は、冷却配管が一次側可動子の円滑な移動と位置決めの障害になることがある。また、冷却システムによって可動子の大きさがより大きくなるとともに可動子の質量が大きくなって、より大きな推力が要求されるというジレンマに陥る。

また、多くの点で有利である固定子が永久磁石であるシャフト型モータは、基本的に複数の永久磁石が長手方向に極性が変わるように配置されている。そのため、界磁の磁束密度は永久磁石の磁力に従って大きくすることができない。したがって、苦労して液体によるコイルの直接冷却を実現し、冷却効率を向上させて熱損失を小さくするようにしても、期待するほど推力を大きくすることができない。

本発明は、上記課題に鑑みて、一次側可動子が一対の筒形状の二次側固定子の間を移動する筒型リニアモータとすることで推力を大きくする改良された筒型リニアモータを提供することを主たる目的とする。また、構成が比較的簡単で電機子のコイルを十分に冷却できる新規な筒型リニアモータを提供することを目的とする。本発明の筒型リニアモータのいくつかの有利な点は、具体的な実施の形態の説明において詳しく記述される。

本発明の筒型リニアモータは、課題を解決するために、移動体と接合し中空部位（２Ｃ）を有する一次側可動子（２）と、外側が一方の極性を有し内側が他方の極性を有する環状の永久磁石（１０Ａ）と永久磁石（１０Ａ）と正反対の極配置を有する同形の永久磁石（１０Ｂ）とを一次側可動子（２）の移動方向に交互に配列し一次側可動子（２）の中空部位（２Ｃ）に挿設される第１の二次側固定子（１０）と、第１の二次側固定子（１０）の複数の永久磁石（１０Ａ，１０Ｂ）に対して環形状が相似の複数の環状の永久磁石（２０Ａ，２０Ｂ）を第１の二次側固定子（１０）と同一の配列で配設して中空部位（２０Ｃ）を有する筒形状に形成し同軸に中空部位（２０Ｃ）に第１の二次側固定子（１０）を収容するとともに第１の二次側固定子（１０）との間に形成される空間（１Ａ）に一次側可動子（２）を移動可能に収容する第２の二次側固定子（２０）と、第１の二次側固定子（１０）と第２の二次側固定子（２０）との一対の二次側固定子（３）の一端に設けられ一端側から空間（１Ａ）に直線的に一次側可動子（２）の電機子（２Ａ）を冷却するための気体を供給して一端側とは反対側の他端側から冷却に供された気体を排出する給排気装置（４）と、を備えるようにする。

本発明の筒型リニアモータは、第１の二次側固定子と第２の二次側固定子との一対の二次側固定子の間に形成される空間に一次側可動子を設けているので、磁束密度をより高くすることができる。その結果、リニアモータの可動子の質量を変えずに同一の電力で推力をより大きくすることができる。

一対の二次側固定子で形成される空間に一次側可動子が配置されているので、電機子コイルの発熱より高温になった周囲の気体（空気）が一対の二次側固定子の間の空間にこもりやすい。そのため、熱損失による推力の低下が生じるだけではなく、コイルが焼損したり、永久磁石が高温になって永久磁石の保磁力が低下するおそれがある。

本発明の筒型リニアモータは、リニアモータ本体の一端に一対の二次側固定子で形成される空間に限定して直線的に気体を供給することができるとともに一次側固定子の冷却に供されて高温になった気体をリニアモータ本体の他端から押し出して排出させるように空間内の気体の流動性を高めているので、気体による電機子の冷却効率を向上させることができる。

そのため、液体を冷媒とする冷却システムがなくても電機子のコイルを十分に冷却することができる。したがって、構成が比較的簡単でコンパクトである。また、可動子が液体を供給する冷却配管の抵抗を受けることがない。その結果、熱損失を低減して期待される推力を得ることができるとともに、コイルの焼損および永久磁石の保持力の低下を防止することができる。

本発明の基本的な筒型リニアモータの概容を示す斜視図である。二次側固定子の永久磁石を示す斜視図である。リニアモータ本体における空気の流動を示す模式図である。本発明の筒型リニアモータの１つの実施の形態を示す断面図である。

図１は、本発明の筒型リニアモータの基本的な構成を示す。リニアモータ本体１は、一次側可動子２と筒形状の二次側固定子３とでなる。二次側固定子３は、第１の二次側固定子１０と第２の二次側固定子２０とでなる。第２の二次側固定子２０は、第１の二次側固定子１０との間に空間１Ａを形成する。第２の二次側固定子２０は、空間１Ａに一次側可動子２を所定のギャップをもって移動可能に収容する。

一次側可動子２は、電機子２Ａと可動体２Ｂとでなり、中空部位２Ｃを有する中空柱状体である。電機子２Ａは、コイル２１と空心ベース２２とを含んでなる。可動体２Ｂは、図示しない移動体に直接または間接的に接合し、移動体と電機子２Ａとを結合する。移動体は、直線１軸方向に往復移動する直線移動体である。一次側可動子２は、中空部位２Ｃに所定のギャップをもって第１の二次側固定子１０を貫通させ、第１の二次側固定子１０に沿って直線移動体の移動方向に移動する。

コイル２１は、空心ベース２２に銅線を所定数巻き回してなる。空心ベース２２は、非磁性体材料でなる。空心ベース２２の中空部位に管形の可動体２Ｂを挿嵌して固定することによって電機子２Ａが可動体２Ｂと一体的に直結する。したがって、コイル２１がコアレスコイルであり、リニアモータ本体１は、実質的に鉄心がないコアレスモータである。

コイル２１は、図示しないモータドライバに電気的に接続される。コイル２１に駆動電流が供給されるとき、発生する磁界の強さに相応する推力が発生する。その結果、可動体２Ｂが電機子２Ａと共に二次側固定子３の長手方向に沿って移動して可動体２Ｂに接合する直線移動体が直線１軸方向に移動する。

電機子２Ａに、銅線の巻線を樹脂で固めた樹脂円筒形コイルを用いることができる。樹脂円筒形コイルは、空心ベース２２がないので部品点数を少なくすることができる。また、樹脂円筒形コイルは、電機子２Ａを軽量にすることができる。一方、空心ベース２２が比較的高い熱伝導率を有する非鉄系金属であるとき、コイル２１の発熱による電機子２Ａの冷却効率をより高くできる点で有利である。

第１の二次側固定子１０と第２の二次側固定子２０との一対の二次側固定子３の直動移動体の移動方向に沿った長手方向の少なくとも一端が図示しない機器本体に固定される。本発明の筒型リニアモータは、一対の二次側固定子３で形成される空間１Ａに移動可能に一次側可動子２を設けているので、従前の筒型リニアモータに比べて磁束密度を高くすることができる。その結果、電機子２Ａに供給する電力に対してより大きい推力を得ることができる。

第１の二次側固定子１０は、図１に示されるような中実柱状体である。第１の二次側固定子１０は、具体的に図２に示されるように、外側が一方の極性を有し内側が他方の極性を有する環状の永久磁石１０Ａと、永久磁石１０Ａと正反対の極配置を有する同形の永久磁石１０Ｂとを一次側可動子２の移動方向に交互に配列するように中実棒状の心材１０Ｃに順次嵌装することによって生成される。第１の二次側固定子１０は、一次側可動子２の中空部位２Ｃに挿設される。

第２の二次側固定子２０は、図１に示されるような中空柱状体である。第２の二次側固定子２０は、具体的に図２に示されるように、複数の環状の永久磁石２０Ａと永久磁石２０Ｂを第１の二次側固定子１０の永久磁石１０Ａと永久磁石１０Ｂと同一の配列で配設して中空部位２０Ｃを有する筒形状に形成してなる。第２の二次側固定子２０は、同軸に中空部位２０Ｃに第１の二次側固定子１０を収容する。また、第２の二次側固定子２０は、第１の二次側固定子１０との間に形成される空間１Ａに一次側可動子２を移動可能に収容する。

第２の二次側固定子２０の永久磁石２０Ａと永久磁石２０Ｂは、第１の二次側固定子１０の複数の永久磁石１０Ａと永久磁石１０Ｂに対して環形状が相似である。環形状が相似であるということは、図２に示されるように、永久磁石２０Ａと永久磁石２０Ｂが永久磁石１０Ａと永久磁石１０Ｂに対して環外形と環内形のスケール以外、言い換えると外径と内径の大きさ以外は本質的に同一であるという意味である。

給排気装置４は、図１に示されるように、リニアモータ本体１の一端に取り付けられる。給排気装置４は、より具体的に、第１の二次側固定子１０と第２の二次側固定子２０との一対の二次側固定子３の一端に設けられる。給排気装置４は、機器本体に取り付けられるので、結果的に二次側固定子３が機器本体に固定される。

給排気装置４は、二次側固定子３の一端側から空間１Ａに直線的に一次側可動子２の電機子２Ａを冷却するための外気温度以下の気体を送風する。給排気装置４は、二次側可動子の上記一端側とは反対側の他端側から電機子２Ａの冷却に供された気体を排出する。

図１に示される実施の形態の給排気装置４は、ファン３０と、外筒４０と、内側カバー５０と、外側カバー６０と、を含んでなる。外筒４０と一対のカバー５０および６０は、ファン３０を収容するケースを形成する。ファン３０は、図示しない回転型モータと複数の回転翼３０Ａを有するインペラとを備える。図１に示される筒型リニアモータでは、供給される気体は、外気温度以下の空気である。

給排気装置４によって強制的に直線的に外気温度以下の気体を電機子２Ａに供給することができるので、実用上設置が困難である液体で電機子２Ａのコイル２１を直接冷却する冷却システムがなくても、熱損失を最小限度に抑えることができる。そのため、熱損失による推力の低下を小さく抑えることができる。また、構成が簡単でコンパクトであり、一次側可動子２が冷却配管による抵抗を受けない。

給排気装置４は、直線的に流入する気体によって一対の二次側固定子３の間に形成される空間１Ａに滞留する高温の気体を押し出して反対側から排出するので、永久磁石を含む周辺部材の温度上昇を抑えて、コイルの焼損と永久磁石の保持力の低下を防ぐことができる。また、部材の熱変形を小さく抑えることができる。

給排気装置４のリニアモータ本体１側に位置するカバー５０の冷却用の気体の供給口５０Ａは、図１に示されるように、空間１Ａに限って集中的に開口するように設けられる。

ファン３０のインペラは、プロペラ形インペラあるいはスクリュ形インペラのように、広い範囲から空気を集めて回転方向に直交する直線方向に供給する形状の回転翼３０Ａを有する。そのため、必要な風量と風圧の気体が集中して空間１Ａに導入される。

その結果、図３に示されるように、電機子２Ａに集中的に冷却のための気体が供給されて電機子２Ａのコイル２１を直接冷却する。そして、空間１Ａの中の高温の気体は、給排気装置４によって自然の滞留に反して一対の二次側固定子３の給排気装置４が設けられている一端側とは反対側の他端側に押し出されて吐出口１Ｃから残らず完全に排出される。

実施の形態の筒型リニアモータにおけるファン３０は、具体的に軸流送風機である。ファン３０は、例えば、多数の前指向翼を有する整風器を組み合わせたシロッコファンあるいは外気を吸引して逆方向に送風して風圧の大きい気体を送風することができるターボファンにすることができる。

図１に示される実施の形態の給排気装置４は、冷却のための外気温度以下の気体を供給する供給口５０Ａが空間１Ａに限定的に開口するとともに、冷却のための外気温以下の気体を集めてリニアモータ本体１の長手方向に直線的に供給する回転翼３０Ａを有するファン３０を備えているので、リニアモータ本体１の長さが長く空間１Ａが実質的に開放されていない筒型リニアモータであっても、熱損失を最小限度に抑えることができるまで電機子２Ａを冷却することができる。

空間１Ａに供給される冷却用の気体として、冷却装置で２０℃以下に冷却された低温の空気または人体に無害な不活性ガスを供給して熱交換率を上げて冷却効率を向上させることができる。冷却装置を設けることは、製造の手間とコストを増大させるが、リニアモータが周辺温度の高い場所に設置される必要があるときに有益である。

図１に示されるように、カバー６０の外気を取り入れる吸込口６０Ａは、必要な風量の外気を集めることができる大きさである。必要に応じて給排気装置４にフィルタを設けて外気に含まれる埃のような永久磁石に悪影響を与える不純物を除去するようにすることができる。

図４に、一層実用的なリニアモータ本体の実施の形態が示される。図４に示される筒型リニアモータは、二次側固定子３の環外形が正多角形、特に正六角形である。また、二次側固定子３の両端側に給排気装置４のファン３０が設けられる。また、一次側可動子２における図示しない直動移動体と接合する可動体２Ｂが筒状の第２の二次側固定子２０の側面を貫通する。

第１の二次側固定子１０は、中実柱状体である。第１の二次側固定子１０は、外側が一方の極性を有し内側が他方の極性を有する環外形と環内径が正六角形である環状の永久磁石１０Ａと、永久磁石１０Ａと正反対の極配置を有する同形の永久磁石１０Ｂとを一次側可動子２の移動方向に交互に配列するように中実棒状の心材１０Ｃに順次嵌装することによって生成される。第１の二次側固定子１０は、一次側可動子２の中空部位２Ｃに挿設される。

第２の二次側固定子２０は、中空柱状体である。第２の二次側固定子２０は、複数の環状の永久磁石２０Ａと永久磁石２０Ｂを第１の二次側固定子１０の永久磁石１０Ａと永久磁石１０Ｂと同一の配列で配設して中空部位２０Ｃを有する筒形状に形成してなる。第２の二次側固定子２０は、同軸に中空部位２０Ｃに第１の二次側固定子１０を収容する。また、第２の二次側固定子２０は、第１の二次側固定子１０との間に形成される空間１Ａに一次側可動子２を移動可能に収容する。

第２の二次側固定子２０の永久磁石２０Ａと永久磁石２０Ｂは、第１の二次側固定子１０の複数の永久磁石１０Ａと永久磁石１０Ｂに対して環形状が相似の正六角形である。

正六角形の環状の永久磁石は、リニアモータ本体の設計をより容易にする。とりわけ、外側が一方の極性で内側が他方の極性を有する環状の永久磁石を製造する場合、ばらつきのない永久磁石の製造をより容易にする利点がある。

一次側可動子２は、一対の二次側固定子３で形成される空間１Ａにギャップが均等であるように挿設される。したがって、中空柱状体の一次側可動子２の断面外形と内形は、第１の二次側固定子１０の外形および第２の二次側固定子２０の内形と同じ正六角形である。空心ベース２２の外形と内形が正六角形であることは、給排気装置４がコイル２１を冷却する効率に明確な影響を及ぼさない。

第２の二次側固定子２０の側面が長手方向に切り欠かれている。一次側可動子２は、図示しない直動移動体と接合する可動体２Ｂが第２の二次側固定子２０の側面の切欠きを通り抜けて第２の二次側固定子２０の側面を貫通する。したがって、環状の永久磁石は、完全に環が形成された永久磁石に限定されず、環のおよそ半分を組み合わせた永久磁石を含む。また、本発明でいう中空部位を有する筒形状の二次側固定子３は、筒の半分を組み合わせた切欠を有する形状を含む。

第２の二次側固定子２０の側面に切欠が形成されている場合、空間１Ａに滞留する高温の気体が切欠による間隙から外側に放出される。このとき、給排気装置４のファン３０が外筒４０と内側カバー５０および外側カバー６０で形成されるケース内に収容されているので、気体が供給５０Ａからだけ空間１Ａに指向して供給される。そのため、給排気装置４から供給される気体の風量と風圧の低下は小さく、実質的にコイル２１の冷却効率に大きな変化はない。

図４に示される実施の形態の筒型リニアモータでは、直動移動体の配置に対する自由度を大幅に拡大する。特に、直動移動体をリニアモータ本体の上側に配置することができるので、既存の多くの機器の移動装置に採用することが容易である。

以上に具体的に説明された実施の形態の筒型リニアモータは、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で変形、置換、組合せのような応用が可能である。例えば、すでにいくつか示されているように、二次側固定子の永久磁石の外形と内形を変形したり、一次側可動子の可動体の配置を変更したりすることができる。

本発明の筒型リニアモータは、多くの種類の移動装置に適用できる。本発明は、推力が大きい改良された筒型リニアモータを提供する。本発明は、電動アクチュエータの進歩に寄与する。

１リニアモータ本体
１Ａ空間
１Ｂ吸込口
１Ｃ吐出口
２一次側可動子
２Ａ電機子
２Ｂ可動体
３二次側固定子
４給排気装置
１０第１の二次側固定子
２０第２の二次側固定子
２１コイル
２２空心ベース
３０ファン
３０Ａ回転翼
４０外筒
５０内側カバー
６０外側カバー

Claims

移動体と接合し中空部位を有する一次側可動子と、外側が一方の極性を有し内側が他方の極性を有する環状の永久磁石と前記永久磁石と正反対の極配置を有する同形の永久磁石とを前記一次側可動子の移動方向に交互に配列し前記一次側可動子の中空部位に挿設される第１の二次側固定子と、前記第１の二次側固定子の複数の前記永久磁石に対して環形状が相似の複数の環状の永久磁石を前記第１の二次側固定子と同一の配列で配設して中空部位を有する筒形状に形成し同軸に前記中空部位に前記第１の二次側固定子を収容するとともに前記第１の二次側固定子との間に形成される空間に一次側可動子を移動可能に収容する第２の二次側固定子と、前記第１の二次側固定子と前記第２の二次側固定子との一対の二次側固定子の一端に設けられ前記一端側から前記空間に直線的に前記一次側可動子の電機子を冷却するための気体を送風して前記一端側とは反対側の他端側から冷却に供された気体を排出する給排気装置と、を備えた筒型リニアモータ。