JP3832556B2 - キャンド・リニアモータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリニアモータに関するもので、特に、低温度上昇と一定速送り精度を要求される例えば電子部品検査装置や工作機の送り等に使われるリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固定子に３相の電機子巻線を備え、可動子に界磁とする永久磁石を備えたキャンド・リニアモータは、電機子巻線を冷媒によって直接冷却するものであり、リニアモータの表面温度上昇を低く抑えることができるものである。
ところで、この従来技術によれば、可動子と固定子を入れ替えた構造としても何ら問題は無いので、ストロークが長い用途では、一般に、可動子に電機子巻線を備えたものが多く用いられている。
ここでは、複数のコイル群を成形してなる電機子巻線を可動子とし、界磁とする交互に極性が異なる複数の永久磁石を固定子に隣りあわせに並べて備えたキャンド・リニアモータを中心に、以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。
図８に従来技術におけるリニアモータ全体を示す斜視図が示されている。
図８において、８０が可動子、８１が可動子ベース、８４がキャン、３１が冷媒出口、３２が冷媒入口、３３がケーブル、９０が固定子、９１が固定子ベース、９２が界磁ヨーク、９３が永久磁石である。
可動子８０は後述するようにＴ字形の形状を成しており、その縦部材（電機子）部分を固定子９０の界磁ヨーク９２，９２間に配置された永久磁石９３の間を、図示しないリニアガイド、エアスライダ、滑り案内等によって支持され、所定の電流を電機子巻線に流すことにより、永久磁石９３の作る磁界と作用し、可動子８０に推力を発生して矢印で示す進行方向に移動可能となっている。
図１（ｂ）に図８の従来のリニアモータを正面から見た断面図が示されている。
図において、可動子８０はＴ字形の形状を成している。可動子８０は、可動子ベース８１と、可動子ベース８１の窪みに下向けに支持されているキャン８４と、このキャン８４を密封しているヘッダ８４’（図５参照）と、このキャン８４およびヘッダ８４’で作られる空間内に配備される巻線固定枠８２およびこの巻線固定枠８２に固定されるコアレス型の３相の電機子巻線８３およびキャン８４の中を通過する冷媒通路８７と、より構成されている。
図５（ａ）に可動子の側面図、図６に可動子側面から見た電機子巻線の配置図が示されている。電機子巻線８３はここでは図６に示すような、三相の薄型平板状のものを用いて、これを巻線固定枠８２の左右両側に貼り付けることにより、電機子巻線全体を構成しかつその強度を向上させている。また、巻線固定枠８２はそれ自身の強度を要求されるため、ステンレスがよく使われている。
キャン８４は、ステンレス製の薄板を曲げコの字形としたものを溶接して筒状としている。同じくステンレスの鋳物で形成された２個のヘッダ８４’、８４’（図５）は、冷媒を通すための、冷媒供給口３２と冷媒排出口３１を各々備えている。キャン８４とヘッダ８４’は接合面で溶接によって接合されている。
また、冷媒を冷媒供給口３２より供給して冷媒排出口３１より排出することにより、冷媒は電機子巻線８３とキャン８４の間にある冷媒通路８７（図１（ｂ））を流れる。
一方、固定子９０の形状は、図１（ｂ）に示すように、可動子８０の電機子部を挟み込むようにして凹字形を成している。固定子９０は、可動子８０のキャン８４とヘッダ８４’の両側にギャップを介して配置された永久磁石９３、永久磁石９３の作る磁束を通すために磁性体で作られた界磁ヨーク９２、それらを支持する固定子ベース９１とより構成されている。また、移動方向に並ぶ複数の永久磁石９３は、極ピッチλ（図８）ごとに隣と異極になるように配置されている。
このように構成されたキャンド・リニアモータは、可動子自身の位置にあった所定の電流を電機子巻線に流すことにより、固定子の永久磁石の作る磁界と作用し、可動子に推力を発生し、そして、銅損によって発熱した電機子巻線を冷媒により冷却し、可動子表面の温度上昇を低く抑えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術によると次のような問題があった。
キャン８４、巻線固定枠８２、ヘッダ８４’等は前述のようにステンレスで構成されている。これらのステンレスで構成された部材は、固定子９０の永久磁石９３間を通過することにより、極ピッチλごとに１個の渦電流ｉｅが発生する。渦電流ｉｅの発生図を図５（ｂ）に示している。図５（ｂ）からわかるように、従来装置の渦電流ｉｅは、その流路がキャン８４およびヘッダ８４’の上下方向いっぱいに大きなループを描いて流れている。そして、この渦電流ｉｅの上下方向成分によって粘性制動力が発生する。この粘性制動力は、渦電流ｉｅと永久磁石９３の作る磁束と鎖交して可動子８０の進行方向とは逆方向に発生する。その大きさは、ステンレスの厚さや幅、可動子８０の移動速度、渦電流ｉｅの発生個数、磁束密度の２乗におおよそ比例する。このような粘性制動力の発生により次のような問題があった。
（１） ある推力を得ようとする場合、所定の電機子電流を流しても、粘性制動力分だけ小さくなるので、それ以上の電機子電流を流さなければならない。その結果、電機子巻線の銅損が増加し、キャンやヘッダ表面の温度上昇が高くなった。
（２） 渦電流はいわゆる渦電流損として発生場所で熱に変換される。つまり、発生場所であるキャン、巻線固定枠、ヘッダが発熱し、さらなる温度上昇を引き起こした。非常に温度上昇を制限される用途では、この発熱によって仕様を満足できない場合があった。
（３） 近年、速度アップが要求されつつあり、ますます粘性制動力が増加する傾向にあり、しかもこの粘性制動力は可動子の進行方向とは逆方向に発生し、粘性制動力が変動することによりリニアモータの速度変動を生じさせる。粘性制動力によるリニアモータの速度変動への影響は、発生推力に対し比較的小さいものであるため、これまで重要視されていなかったが、近年、各種精密機械装置等の急速な、高精度、高精密化に伴い、速度変動の低減要求が高まってきている。そこで、構成部品の材質等を変更することなく、機械強度を維持したまま粘性制動力の変動を抑え、リニアモータの速度変動を低減させることが要求された。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、可動子の温度上昇を抑え、粘性制動力を低減し、かつその変動率を抑えることができ、キャン強度劣化のない、キャンド・リニアモータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、 請求項１記載の発明によると、交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、前記永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子巻線を有する電機子とを備え、前記電機子には、前記電機子の長手方向に沿って前記電機子巻線を両面に装着した巻線固定枠と、前記電機子巻線と前記巻線固定枠を収納し両部材の周囲に冷媒を流すための冷媒通路を有したキャンと、前記キャンの両端のうち、何れか一方端に冷媒供給口を、他方端に冷媒排出口を配置したヘッダとが設けてあり、前記界磁ヨークと前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータにおいて、
前記キャンに細長いスリットを複数設けてあり、前記キャンの内側に前記スリットを覆うように、シート状の漏れ防止シートを張り付けると共に、前記スリットに樹脂を流し込んだことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明によると、請求項１記載のキャンド・リニアモータにおいて、前記複数の細長いスリットは互いに平行に進行方向に延びていることを特徴としている。
さらに、請求項３記載の発明によると、請求項１記載のキャンド・リニアモータにおいて、複数の細長いスリットは互いに平行にかつ進行方向に分割されていることを特徴としている。
そして、請求項４記載の発明によると、請求項１または３記載のキャンド・リニアモータにおいて、複数の細長いスリットは、進行方向に３×λ（λ＝極ピッチ）ごとに並んでいることを特徴としている。
【０００５】
また、請求項５記載の発明によると、請求項１、３または４記載のキャンド・リニアモータにおいて、複数の細長いスリットは互いに平行でかつ進行方向に分割されており、進行方向と直角な方向に隣接するスリットとの間に１．５×λ（λ＝極ピッチ）のずれがあることを特徴としている。
さらに、請求項６記載の発明によると、請求項１〜５のいずれか１項記載のキャンド・リニアモータにおいて、前記ヘッダに、互いに平行に進行方向に延びている細長いスリットを複数設けてあり、前記ヘッダの内側には、前記スリットを覆うようにシート状の漏れ防止シートを貼り付けると共に、前記スリットに樹脂を流し込んだことを特徴としている。
そして、請求項７記載の発明によると、請求項１〜６のいずれか１項記載のキャンド・リニアモータにおいて、前記巻線固定枠に互いに平行に延びている細長いスリットを設けたことを特徴としている。
さらに、請求項８記載の発明によると、交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、前記永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子巻線を有する電機子とを備え、前記電機子には、前記電機子の長手方向に沿って前記電機子巻線を両面に装着した巻線固定枠と、前記電機子巻線と前記巻線固定枠を収納し両部材の周囲に冷媒を流すための冷媒通路を有したキャンと、前記キャンの両端のうち、何れか一方端に冷媒供給口を、他方端に冷媒排出口を配置したヘッダとが設けてあり、前記界磁ヨークを固定子に、前記電機子巻線を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータにおいて、キャン全長Ｌを以下に規定したことを特徴としている。
キャン全長：Ｌ、
永久磁石極ピッチ：λ、
整数：ｎ、としたとき、Ｌ＝（ｎ＋１／２）λ
以上のような構成により、渦電流発生箇所の数が一定となり、粘性制動力の変動が大幅に低減するので、リニアモータの速度変動を低減させることが可能となる。
【０００６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図３を用いて説明する。
図１（ａ）は、本発明におけるキャンド・リニアモータを正面から見た断面図、図２（ａ）は可動子の側面図、（ｂ）は可動子の側面における渦電流の発生図である。
固定子２０の形状は、可動子１０の電機子部を挟み込むようにして凹字形を成している。固定子２０は、可動子１０のキャン１４とヘッダ１４’の両側に磁気的空隙を介して配置された複数の永久磁石２３、永久磁石２３の作る磁束を通すために磁性体で作られた界磁ヨーク２２、それらを支持する固定子ベース２１とより構成されている。また、移動方向に並ぶ複数の永久磁石２３は、極ピッチλごとに隣と異極になるように配置されている（図９）。
可動子１０は、従来技術と同様に、図１（ａ）において、Ｔ字形の形状を成している。可動子１０は、３相の薄型平板状電機子巻線１３（図６）、巻線固定枠１２、冷媒通路１７、それらを覆うキャン１４、このキャン１４を密封しているヘッダ１４’（図２）、キャン１４を支持している可動子ベース１１より構成されている。
巻線固定枠１２の左右両側に電機子巻線１３を貼り付けることにより、電機子巻線全体の強度を向上させている。また、巻線固定枠１２はそれ自身の強度を要求されるため、ステンレスが使われている。
キャン１４は、ステンレス製の薄板を曲げコの字形としたものを溶接し筒状としている。同じくステンレスの鋳物で形成された２個のヘッダ１４’、１４’（図２）は、冷媒を通すための、冷媒供給口３２と冷媒排出口３１を各々備えている。キャン１４とヘッダ１４’は接合面で溶接によって接合されている。
このように構成された可動子１０は、図示しないリニアガイド、エアスライダ、滑り案内等によって支持され、進行方向に移動可能となっている。
また、冷媒を冷媒供給口３２より供給して冷媒排出口３１より排出することにより、冷媒は電機子巻線１３とキャン１４の間にある冷媒通路１７を流れる。これにより、冷媒供給口３２より注入された冷媒は、電機子巻線１３からの熱量を奪いながら冷媒通路１７を通り、冷媒排出口３１より排出されるため、リニアモータ表面の温度上昇を低く抑えることが可能である。排出された冷媒は、図示しない冷却装置により再冷却され循環される。
従来技術と異なる点は、図２（ａ）に示すように、互いに平行にかつ進行方向に延びる細長いスリット１５１，１５２をキャン１４に複数本設けたことである。 また、ヘッダ１４’にも互いに平行にかつ進行方向に延びる細長いスリット１５をキャン１４におけるスリット数よりも多く設けている。
さらに、このスリット１５、１５１，１５２から冷媒が漏出しないように、シート状の漏れ防止シート１６（図３）を用い、接着剤１８でキャン１４に固着したり、スリット内に樹脂１９を埋めたりしている。なお、接着剤１８および樹脂１９は同じものであってもよい。
スリット１５は可動子１０の進行方向に細長く抜き取った穴である。キャン１４には高さ方向２段に分けてスリット１５１、１５２を施している。薄板のキャン１４にスリット１５１，１５２を多数施すことは、渦電流ｉｅを低減できる反面、強度劣化を招く。端面が存在し強度的に余裕があるヘッダ１４’は、高さ方向４段にスリット１５を施している。
また、漏れ防止シート１６は、図３（ａ）に示すように、キャン１４のヘッダ筒内である冷媒通路１７に面した二面（図ではその片面を示している。）に貼り付けることにより、冷媒通路１７を流れる冷媒がスリット１５から漏れ出すことが無いようにしている。
また、スリット１５を穿ったことにより機械的強度が低下するのを防止するため、図３（ｂ）に示すように、スリット１５に接着材１９等の樹脂を埋め込んでいる。さらに、漏れ防止シート１６に亀裂が生じたとしても、冷媒がスリット１５から漏れ出ないようにしている。
図２（ｂ）は、このように構成された可動子にどのように渦電流ｉｅが発生するかを示している。従来技術による渦電流の発生図である図５（ｂ）と比較してわかるように、本発明により発生する渦電流ｉｅは、その流路がスリット１５１，１５２によって断たれるため、渦電流ｉｅが細分化される。これによって渦電流ｉｅの上下方向成分も分断されるので、粘性制動力も小さくなる。
【０００７】
従来技術と本発明による粘性制動力の比較を図７に示す。
図７は、おおよそ推力４００Ｎ（ニュートン）、速度０．２ｍ／ｓのキャンド・リニアモータにおける可動子位置−粘性制動力特性（単位、Ｎ）を示している。これによると、従来技術のものは粘性制動力が略９Ｎ前後で推移しているのに対して、本発明のものは粘性制動力が略３Ｎ前後で推移し、従来技術のものと比べて約１／３も低減されることがわかる。
以上の実施の形態ではキャン１４やヘッダ１４’のみスリット１５を設けたものとして説明したが、巻線固定枠１２（図１（ａ））にも同様にスリットを多数施しても良い。
また、可動子１０に電機子巻線１３、固定子２０に界磁である永久磁石２３を備えた構造としたが、逆の構造としても良い。さらには、固定子２０の形状を凹の字形としたが、片側に永久磁石２３を並べるだけの構造としても良い。
【０００８】
次に、本発明の第２の実施の形態について、説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態における可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
第１の実施の形態と違う点はスリットの入れ方である。すなわち、図４（ａ）に示すように、互いに平行にかつ進行方向に延びる細長いスリットが、第１の実施の形態では進行方向に連続していたが、ここでは分割されている。その他の点は第１の実施の形態と同様である。
同図において、スリット１５１の端部とスリット１５３の対応端部との間隔は、永久磁石の極ピッチを図９のようにλとすると、３×λであり、スリット１５１およびスリット１５３の全長は、それぞれ進行方向に３×λより若干短めとなっており、その差が互いの不連続部分となっている。また、進行方向と直角な方向に隣接するスリット１５２との間に１．５×λのずれがある。
図４（ｂ）は、このようなスリットの形成された可動子にどのように渦電流ｉｅが発生するかを示している。
同図からわかるように、渦電流ｉｅは、その流路がスリット１５１，１５２、１５３によって断たれるため、渦電流ｉｅが細分化される。これによって渦電流ｉｅの上下方向成分も分断されるので、従来と比べて粘性制動力も著しく小さくなる。
ただ、スリットの不連続部分には渦電流ｉｅとは上下方向にやや長めの渦電流ｉｅ’が生じるので、渦電流ｉｅのみの第１の実施の形態と比較すると粘性制動力低減の点では若干劣るが、その分この不連続部分によって機械的強度が著しく増加し、総合的には第１の実施の形態を凌ぐものとなる。
その他は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、ヘッダ１４’や巻線固定枠１２（図１（ａ））にも、スリットを設けること、キャン１４およびヘッダ１４’の内側に漏れ防止シート１６または絶縁物の薄板を貼り付け、かつスリット１５に樹脂１９を流し込むのことは第１の実施の形態と同様である。
以上の説明では、永久磁石を備えた方を固定子とし前記電機子巻線を備えた方を可動子としたが、逆に、永久磁石を備えた方を可動子とし電機子巻線を備えた方を固定子としても本発明が成立することは言うまでもない。
【０００９】
次に、本発明の第３の実施の形態を図９〜図１２に基づいて説明する。
図９に本発明の第３の実施の形態における冷却キャンを有するリニアモータ全体の斜視図を示す。 第３の実施の形態においては、可動子１０のキャン１４の全長Ｌを式（１）のように規定するものである。
Ｌ＝（ｎ＋１／２）λ ・・・・（１）
ここで、ｎ：整数、
λ：永久磁石極ピッチ
このような規定以外は、構造的には従来装置と何ら変わらないため説明は省く。また、固定子２０も、その形状や構造は従来装置と何ら変わらない。
図１０は第３の実施の形態におけるリニアモータを上（可動子側）から見た状態を模式的に示すもので、可動子キャン１４の位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）によって渦電流の発生箇所（破線の丸）の様子を表わした概略図である。
同図において、可動子キャン１４が位置Ａにおいて渦電流の発生箇所は４カ所であることがわかる。同様にして、可動子キャン１４が位置Ｂにおいても渦電流の発生箇所は４カ所であり、位置Ｃおよび位置Ｄにおいても渦電流の発生箇所は４カ所であることがわかる。すなわち、可動子キャン１４の全長Ｌを式（１）のように規定したことにより、可動子キャン１４がどの位置にあっても渦電流発生箇所が常に４箇所に安定している。キャン全長Ｌが長くなれば、渦電流発生箇所の数は多くなるが、その数が変動することはない。
一方、図１１は従来のリニアモータにおける可動子位置での渦電流発生箇所の様子を模式的に表している。図１１は可動子キャン１４の全長ＬをＬ＝ｎλにした場合である。同図において、可動子キャン１４が位置Ａにおいて渦電流の発生箇所は３カ所であるが、位置Ｂにおいては４カ所であり、位置Ｃにおいては再び３カ所となり、位置Ｄではまた４カ所となる。すなわち、可動子キャン１４の全長ＬをＬ＝ｎλに規定したことにより、可動子キャン１４が置かれる位置によって渦電流発生箇所が変動することとなる。
【００１０】
従来技術と本発明による粘性制動力変動の比較を図１２に示す。
図１２は、定格推力が約４５０Ｎのリニアモータにおける、速度０．２ｍ／ｓ時の粘性制動力の変動を示したものである。従来品は可動子キャン全長がほぼ永久磁石極ピッチの整数倍である当社製リニアモータである。同図において、従来品の場合は、粘性制動力の最低値が略１１Ｎであり、最大値が略１３Ｎであるから、変動は２Ｎであることがわかる。一方、本発明品の場合は、粘性制動力の最低値が略１１Ｎであり、最大値が略１２Ｎであるから、変動は１Ｎである。したがって、本発明により粘性制動力の変動は２Ｎから１Ｎになり、約１／２に低減されたこととなる。
また、可動子を界磁側とした可動磁石型リニアモータでは、キャンが常に磁束内に存在しており、渦電流の発生量が変化しないため、粘性制動力の変動は起こらない。したがって、本発明には影響されない。
【００１１】
【発明の効果】
以上のような第１および第２の実施の形態のキャンド・リニアモータにより、以下のような効果がある。
（１） 渦電流の流れを細分化することにより、粘性制動力を１／３に低減することができる。
（２） 粘性制動力分の推力を発生させる必要が無いため、銅損が低下し、可動子の温度上昇を低減することができる。
（３） 渦電流損が小さくなるため、その発生場所であるキャン、ヘッダ、巻線固定枠の発熱を低減することができる。
また、第３の実施の形態のキャンド・リニアモータにより、以下のような効果がある。
（４）リニアモータのキャンから発生する粘性制動力の変動を低減することができる。また、
（５）その粘性制動力変動の低減により、リニアモータの重要な特性である速度変動を低減する効果がある。
（６）また、本発明では構成部品の材料等は一切変更していないため、従来の機械強度特性を低下させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】キャンド・リニアモータを正面から見た断面図で、（ａ）が本発明によるもの、（ｂ）が従来技術によるものを表している。
【図２】本発明の第１の実施の形態における可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
【図３】本発明のキャンを表しており、（ａ）が第１の実施の形態におけるキャン断面の拡大図、（ｂ）が第３の実施の形態におけるキャン断面の拡大図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
【図５】従来技術による可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
【図６】従来技術による側面から見た可動子内部を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態と従来技術の粘性制動力を比較した図である。
【図８】従来技術によるキャンド・リニアモータの斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における冷却キャンを有するリニアモータの全体斜視図である。
【図１０】本発明における渦電流発生箇所の様子を表わした概略図である。
【図１１】従来技術における渦電流発生箇所の様子を表わした概略図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態と従来技術の粘性制動力を比較した図である。
【符号の説明】
１０．可動子
１１．可動子ベース
１２．巻線固定枠
１３．電機子巻線
１４．キャン
１４’．ヘッダ
１５、１５１，１５２ スリット
１６ 漏れ防止シート
１７ 冷媒通路
１８ 接着材（樹脂）
１９．スリット内接着材（樹脂）
２０．固定子
２１．固定子ベース
２２．界磁ヨーク
２３．永久磁石
３１．冷媒排出口
３２．冷媒供給口
３３．ケーブル
【発明の属する技術分野】
本発明はリニアモータに関するもので、特に、低温度上昇と一定速送り精度を要求される例えば電子部品検査装置や工作機の送り等に使われるリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固定子に３相の電機子巻線を備え、可動子に界磁とする永久磁石を備えたキャンド・リニアモータは、電機子巻線を冷媒によって直接冷却するものであり、リニアモータの表面温度上昇を低く抑えることができるものである。
ところで、この従来技術によれば、可動子と固定子を入れ替えた構造としても何ら問題は無いので、ストロークが長い用途では、一般に、可動子に電機子巻線を備えたものが多く用いられている。
ここでは、複数のコイル群を成形してなる電機子巻線を可動子とし、界磁とする交互に極性が異なる複数の永久磁石を固定子に隣りあわせに並べて備えたキャンド・リニアモータを中心に、以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。
図８に従来技術におけるリニアモータ全体を示す斜視図が示されている。
図８において、８０が可動子、８１が可動子ベース、８４がキャン、３１が冷媒出口、３２が冷媒入口、３３がケーブル、９０が固定子、９１が固定子ベース、９２が界磁ヨーク、９３が永久磁石である。
可動子８０は後述するようにＴ字形の形状を成しており、その縦部材（電機子）部分を固定子９０の界磁ヨーク９２，９２間に配置された永久磁石９３の間を、図示しないリニアガイド、エアスライダ、滑り案内等によって支持され、所定の電流を電機子巻線に流すことにより、永久磁石９３の作る磁界と作用し、可動子８０に推力を発生して矢印で示す進行方向に移動可能となっている。
図１（ｂ）に図８の従来のリニアモータを正面から見た断面図が示されている。
図において、可動子８０はＴ字形の形状を成している。可動子８０は、可動子ベース８１と、可動子ベース８１の窪みに下向けに支持されているキャン８４と、このキャン８４を密封しているヘッダ８４’（図５参照）と、このキャン８４およびヘッダ８４’で作られる空間内に配備される巻線固定枠８２およびこの巻線固定枠８２に固定されるコアレス型の３相の電機子巻線８３およびキャン８４の中を通過する冷媒通路８７と、より構成されている。
図５（ａ）に可動子の側面図、図６に可動子側面から見た電機子巻線の配置図が示されている。電機子巻線８３はここでは図６に示すような、三相の薄型平板状のものを用いて、これを巻線固定枠８２の左右両側に貼り付けることにより、電機子巻線全体を構成しかつその強度を向上させている。また、巻線固定枠８２はそれ自身の強度を要求されるため、ステンレスがよく使われている。
キャン８４は、ステンレス製の薄板を曲げコの字形としたものを溶接して筒状としている。同じくステンレスの鋳物で形成された２個のヘッダ８４’、８４’（図５）は、冷媒を通すための、冷媒供給口３２と冷媒排出口３１を各々備えている。キャン８４とヘッダ８４’は接合面で溶接によって接合されている。
また、冷媒を冷媒供給口３２より供給して冷媒排出口３１より排出することにより、冷媒は電機子巻線８３とキャン８４の間にある冷媒通路８７（図１（ｂ））を流れる。
一方、固定子９０の形状は、図１（ｂ）に示すように、可動子８０の電機子部を挟み込むようにして凹字形を成している。固定子９０は、可動子８０のキャン８４とヘッダ８４’の両側にギャップを介して配置された永久磁石９３、永久磁石９３の作る磁束を通すために磁性体で作られた界磁ヨーク９２、それらを支持する固定子ベース９１とより構成されている。また、移動方向に並ぶ複数の永久磁石９３は、極ピッチλ（図８）ごとに隣と異極になるように配置されている。
このように構成されたキャンド・リニアモータは、可動子自身の位置にあった所定の電流を電機子巻線に流すことにより、固定子の永久磁石の作る磁界と作用し、可動子に推力を発生し、そして、銅損によって発熱した電機子巻線を冷媒により冷却し、可動子表面の温度上昇を低く抑えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来技術によると次のような問題があった。
キャン８４、巻線固定枠８２、ヘッダ８４’等は前述のようにステンレスで構成されている。これらのステンレスで構成された部材は、固定子９０の永久磁石９３間を通過することにより、極ピッチλごとに１個の渦電流ｉｅが発生する。渦電流ｉｅの発生図を図５（ｂ）に示している。図５（ｂ）からわかるように、従来装置の渦電流ｉｅは、その流路がキャン８４およびヘッダ８４’の上下方向いっぱいに大きなループを描いて流れている。そして、この渦電流ｉｅの上下方向成分によって粘性制動力が発生する。この粘性制動力は、渦電流ｉｅと永久磁石９３の作る磁束と鎖交して可動子８０の進行方向とは逆方向に発生する。その大きさは、ステンレスの厚さや幅、可動子８０の移動速度、渦電流ｉｅの発生個数、磁束密度の２乗におおよそ比例する。このような粘性制動力の発生により次のような問題があった。
（１） ある推力を得ようとする場合、所定の電機子電流を流しても、粘性制動力分だけ小さくなるので、それ以上の電機子電流を流さなければならない。その結果、電機子巻線の銅損が増加し、キャンやヘッダ表面の温度上昇が高くなった。
（２） 渦電流はいわゆる渦電流損として発生場所で熱に変換される。つまり、発生場所であるキャン、巻線固定枠、ヘッダが発熱し、さらなる温度上昇を引き起こした。非常に温度上昇を制限される用途では、この発熱によって仕様を満足できない場合があった。
（３） 近年、速度アップが要求されつつあり、ますます粘性制動力が増加する傾向にあり、しかもこの粘性制動力は可動子の進行方向とは逆方向に発生し、粘性制動力が変動することによりリニアモータの速度変動を生じさせる。粘性制動力によるリニアモータの速度変動への影響は、発生推力に対し比較的小さいものであるため、これまで重要視されていなかったが、近年、各種精密機械装置等の急速な、高精度、高精密化に伴い、速度変動の低減要求が高まってきている。そこで、構成部品の材質等を変更することなく、機械強度を維持したまま粘性制動力の変動を抑え、リニアモータの速度変動を低減させることが要求された。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、可動子の温度上昇を抑え、粘性制動力を低減し、かつその変動率を抑えることができ、キャン強度劣化のない、キャンド・リニアモータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、 請求項１記載の発明によると、交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、前記永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子巻線を有する電機子とを備え、前記電機子には、前記電機子の長手方向に沿って前記電機子巻線を両面に装着した巻線固定枠と、前記電機子巻線と前記巻線固定枠を収納し両部材の周囲に冷媒を流すための冷媒通路を有したキャンと、前記キャンの両端のうち、何れか一方端に冷媒供給口を、他方端に冷媒排出口を配置したヘッダとが設けてあり、前記界磁ヨークと前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータにおいて、
前記キャンに細長いスリットを複数設けてあり、前記キャンの内側に前記スリットを覆うように、シート状の漏れ防止シートを張り付けると共に、前記スリットに樹脂を流し込んだことを特徴としている。
また、請求項２記載の発明によると、請求項１記載のキャンド・リニアモータにおいて、前記複数の細長いスリットは互いに平行に進行方向に延びていることを特徴としている。
さらに、請求項３記載の発明によると、請求項１記載のキャンド・リニアモータにおいて、複数の細長いスリットは互いに平行にかつ進行方向に分割されていることを特徴としている。
そして、請求項４記載の発明によると、請求項１または３記載のキャンド・リニアモータにおいて、複数の細長いスリットは、進行方向に３×λ（λ＝極ピッチ）ごとに並んでいることを特徴としている。
【０００５】
また、請求項５記載の発明によると、請求項１、３または４記載のキャンド・リニアモータにおいて、複数の細長いスリットは互いに平行でかつ進行方向に分割されており、進行方向と直角な方向に隣接するスリットとの間に１．５×λ（λ＝極ピッチ）のずれがあることを特徴としている。
さらに、請求項６記載の発明によると、請求項１〜５のいずれか１項記載のキャンド・リニアモータにおいて、前記ヘッダに、互いに平行に進行方向に延びている細長いスリットを複数設けてあり、前記ヘッダの内側には、前記スリットを覆うようにシート状の漏れ防止シートを貼り付けると共に、前記スリットに樹脂を流し込んだことを特徴としている。
そして、請求項７記載の発明によると、請求項１〜６のいずれか１項記載のキャンド・リニアモータにおいて、前記巻線固定枠に互いに平行に延びている細長いスリットを設けたことを特徴としている。
さらに、請求項８記載の発明によると、交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、前記永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子巻線を有する電機子とを備え、前記電機子には、前記電機子の長手方向に沿って前記電機子巻線を両面に装着した巻線固定枠と、前記電機子巻線と前記巻線固定枠を収納し両部材の周囲に冷媒を流すための冷媒通路を有したキャンと、前記キャンの両端のうち、何れか一方端に冷媒供給口を、他方端に冷媒排出口を配置したヘッダとが設けてあり、前記界磁ヨークを固定子に、前記電機子巻線を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータにおいて、キャン全長Ｌを以下に規定したことを特徴としている。
キャン全長：Ｌ、
永久磁石極ピッチ：λ、
整数：ｎ、としたとき、Ｌ＝（ｎ＋１／２）λ
以上のような構成により、渦電流発生箇所の数が一定となり、粘性制動力の変動が大幅に低減するので、リニアモータの速度変動を低減させることが可能となる。
【０００６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図３を用いて説明する。
図１（ａ）は、本発明におけるキャンド・リニアモータを正面から見た断面図、図２（ａ）は可動子の側面図、（ｂ）は可動子の側面における渦電流の発生図である。
固定子２０の形状は、可動子１０の電機子部を挟み込むようにして凹字形を成している。固定子２０は、可動子１０のキャン１４とヘッダ１４’の両側に磁気的空隙を介して配置された複数の永久磁石２３、永久磁石２３の作る磁束を通すために磁性体で作られた界磁ヨーク２２、それらを支持する固定子ベース２１とより構成されている。また、移動方向に並ぶ複数の永久磁石２３は、極ピッチλごとに隣と異極になるように配置されている（図９）。
可動子１０は、従来技術と同様に、図１（ａ）において、Ｔ字形の形状を成している。可動子１０は、３相の薄型平板状電機子巻線１３（図６）、巻線固定枠１２、冷媒通路１７、それらを覆うキャン１４、このキャン１４を密封しているヘッダ１４’（図２）、キャン１４を支持している可動子ベース１１より構成されている。
巻線固定枠１２の左右両側に電機子巻線１３を貼り付けることにより、電機子巻線全体の強度を向上させている。また、巻線固定枠１２はそれ自身の強度を要求されるため、ステンレスが使われている。
キャン１４は、ステンレス製の薄板を曲げコの字形としたものを溶接し筒状としている。同じくステンレスの鋳物で形成された２個のヘッダ１４’、１４’（図２）は、冷媒を通すための、冷媒供給口３２と冷媒排出口３１を各々備えている。キャン１４とヘッダ１４’は接合面で溶接によって接合されている。
このように構成された可動子１０は、図示しないリニアガイド、エアスライダ、滑り案内等によって支持され、進行方向に移動可能となっている。
また、冷媒を冷媒供給口３２より供給して冷媒排出口３１より排出することにより、冷媒は電機子巻線１３とキャン１４の間にある冷媒通路１７を流れる。これにより、冷媒供給口３２より注入された冷媒は、電機子巻線１３からの熱量を奪いながら冷媒通路１７を通り、冷媒排出口３１より排出されるため、リニアモータ表面の温度上昇を低く抑えることが可能である。排出された冷媒は、図示しない冷却装置により再冷却され循環される。
従来技術と異なる点は、図２（ａ）に示すように、互いに平行にかつ進行方向に延びる細長いスリット１５１，１５２をキャン１４に複数本設けたことである。 また、ヘッダ１４’にも互いに平行にかつ進行方向に延びる細長いスリット１５をキャン１４におけるスリット数よりも多く設けている。
さらに、このスリット１５、１５１，１５２から冷媒が漏出しないように、シート状の漏れ防止シート１６（図３）を用い、接着剤１８でキャン１４に固着したり、スリット内に樹脂１９を埋めたりしている。なお、接着剤１８および樹脂１９は同じものであってもよい。
スリット１５は可動子１０の進行方向に細長く抜き取った穴である。キャン１４には高さ方向２段に分けてスリット１５１、１５２を施している。薄板のキャン１４にスリット１５１，１５２を多数施すことは、渦電流ｉｅを低減できる反面、強度劣化を招く。端面が存在し強度的に余裕があるヘッダ１４’は、高さ方向４段にスリット１５を施している。
また、漏れ防止シート１６は、図３（ａ）に示すように、キャン１４のヘッダ筒内である冷媒通路１７に面した二面（図ではその片面を示している。）に貼り付けることにより、冷媒通路１７を流れる冷媒がスリット１５から漏れ出すことが無いようにしている。
また、スリット１５を穿ったことにより機械的強度が低下するのを防止するため、図３（ｂ）に示すように、スリット１５に接着材１９等の樹脂を埋め込んでいる。さらに、漏れ防止シート１６に亀裂が生じたとしても、冷媒がスリット１５から漏れ出ないようにしている。
図２（ｂ）は、このように構成された可動子にどのように渦電流ｉｅが発生するかを示している。従来技術による渦電流の発生図である図５（ｂ）と比較してわかるように、本発明により発生する渦電流ｉｅは、その流路がスリット１５１，１５２によって断たれるため、渦電流ｉｅが細分化される。これによって渦電流ｉｅの上下方向成分も分断されるので、粘性制動力も小さくなる。
【０００７】
従来技術と本発明による粘性制動力の比較を図７に示す。
図７は、おおよそ推力４００Ｎ（ニュートン）、速度０．２ｍ／ｓのキャンド・リニアモータにおける可動子位置−粘性制動力特性（単位、Ｎ）を示している。これによると、従来技術のものは粘性制動力が略９Ｎ前後で推移しているのに対して、本発明のものは粘性制動力が略３Ｎ前後で推移し、従来技術のものと比べて約１／３も低減されることがわかる。
以上の実施の形態ではキャン１４やヘッダ１４’のみスリット１５を設けたものとして説明したが、巻線固定枠１２（図１（ａ））にも同様にスリットを多数施しても良い。
また、可動子１０に電機子巻線１３、固定子２０に界磁である永久磁石２３を備えた構造としたが、逆の構造としても良い。さらには、固定子２０の形状を凹の字形としたが、片側に永久磁石２３を並べるだけの構造としても良い。
【０００８】
次に、本発明の第２の実施の形態について、説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態における可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
第１の実施の形態と違う点はスリットの入れ方である。すなわち、図４（ａ）に示すように、互いに平行にかつ進行方向に延びる細長いスリットが、第１の実施の形態では進行方向に連続していたが、ここでは分割されている。その他の点は第１の実施の形態と同様である。
同図において、スリット１５１の端部とスリット１５３の対応端部との間隔は、永久磁石の極ピッチを図９のようにλとすると、３×λであり、スリット１５１およびスリット１５３の全長は、それぞれ進行方向に３×λより若干短めとなっており、その差が互いの不連続部分となっている。また、進行方向と直角な方向に隣接するスリット１５２との間に１．５×λのずれがある。
図４（ｂ）は、このようなスリットの形成された可動子にどのように渦電流ｉｅが発生するかを示している。
同図からわかるように、渦電流ｉｅは、その流路がスリット１５１，１５２、１５３によって断たれるため、渦電流ｉｅが細分化される。これによって渦電流ｉｅの上下方向成分も分断されるので、従来と比べて粘性制動力も著しく小さくなる。
ただ、スリットの不連続部分には渦電流ｉｅとは上下方向にやや長めの渦電流ｉｅ’が生じるので、渦電流ｉｅのみの第１の実施の形態と比較すると粘性制動力低減の点では若干劣るが、その分この不連続部分によって機械的強度が著しく増加し、総合的には第１の実施の形態を凌ぐものとなる。
その他は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、ヘッダ１４’や巻線固定枠１２（図１（ａ））にも、スリットを設けること、キャン１４およびヘッダ１４’の内側に漏れ防止シート１６または絶縁物の薄板を貼り付け、かつスリット１５に樹脂１９を流し込むのことは第１の実施の形態と同様である。
以上の説明では、永久磁石を備えた方を固定子とし前記電機子巻線を備えた方を可動子としたが、逆に、永久磁石を備えた方を可動子とし電機子巻線を備えた方を固定子としても本発明が成立することは言うまでもない。
【０００９】
次に、本発明の第３の実施の形態を図９〜図１２に基づいて説明する。
図９に本発明の第３の実施の形態における冷却キャンを有するリニアモータ全体の斜視図を示す。 第３の実施の形態においては、可動子１０のキャン１４の全長Ｌを式（１）のように規定するものである。
Ｌ＝（ｎ＋１／２）λ ・・・・（１）
ここで、ｎ：整数、
λ：永久磁石極ピッチ
このような規定以外は、構造的には従来装置と何ら変わらないため説明は省く。また、固定子２０も、その形状や構造は従来装置と何ら変わらない。
図１０は第３の実施の形態におけるリニアモータを上（可動子側）から見た状態を模式的に示すもので、可動子キャン１４の位置（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）によって渦電流の発生箇所（破線の丸）の様子を表わした概略図である。
同図において、可動子キャン１４が位置Ａにおいて渦電流の発生箇所は４カ所であることがわかる。同様にして、可動子キャン１４が位置Ｂにおいても渦電流の発生箇所は４カ所であり、位置Ｃおよび位置Ｄにおいても渦電流の発生箇所は４カ所であることがわかる。すなわち、可動子キャン１４の全長Ｌを式（１）のように規定したことにより、可動子キャン１４がどの位置にあっても渦電流発生箇所が常に４箇所に安定している。キャン全長Ｌが長くなれば、渦電流発生箇所の数は多くなるが、その数が変動することはない。
一方、図１１は従来のリニアモータにおける可動子位置での渦電流発生箇所の様子を模式的に表している。図１１は可動子キャン１４の全長ＬをＬ＝ｎλにした場合である。同図において、可動子キャン１４が位置Ａにおいて渦電流の発生箇所は３カ所であるが、位置Ｂにおいては４カ所であり、位置Ｃにおいては再び３カ所となり、位置Ｄではまた４カ所となる。すなわち、可動子キャン１４の全長ＬをＬ＝ｎλに規定したことにより、可動子キャン１４が置かれる位置によって渦電流発生箇所が変動することとなる。
【００１０】
従来技術と本発明による粘性制動力変動の比較を図１２に示す。
図１２は、定格推力が約４５０Ｎのリニアモータにおける、速度０．２ｍ／ｓ時の粘性制動力の変動を示したものである。従来品は可動子キャン全長がほぼ永久磁石極ピッチの整数倍である当社製リニアモータである。同図において、従来品の場合は、粘性制動力の最低値が略１１Ｎであり、最大値が略１３Ｎであるから、変動は２Ｎであることがわかる。一方、本発明品の場合は、粘性制動力の最低値が略１１Ｎであり、最大値が略１２Ｎであるから、変動は１Ｎである。したがって、本発明により粘性制動力の変動は２Ｎから１Ｎになり、約１／２に低減されたこととなる。
また、可動子を界磁側とした可動磁石型リニアモータでは、キャンが常に磁束内に存在しており、渦電流の発生量が変化しないため、粘性制動力の変動は起こらない。したがって、本発明には影響されない。
【００１１】
【発明の効果】
以上のような第１および第２の実施の形態のキャンド・リニアモータにより、以下のような効果がある。
（１） 渦電流の流れを細分化することにより、粘性制動力を１／３に低減することができる。
（２） 粘性制動力分の推力を発生させる必要が無いため、銅損が低下し、可動子の温度上昇を低減することができる。
（３） 渦電流損が小さくなるため、その発生場所であるキャン、ヘッダ、巻線固定枠の発熱を低減することができる。
また、第３の実施の形態のキャンド・リニアモータにより、以下のような効果がある。
（４）リニアモータのキャンから発生する粘性制動力の変動を低減することができる。また、
（５）その粘性制動力変動の低減により、リニアモータの重要な特性である速度変動を低減する効果がある。
（６）また、本発明では構成部品の材料等は一切変更していないため、従来の機械強度特性を低下させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】キャンド・リニアモータを正面から見た断面図で、（ａ）が本発明によるもの、（ｂ）が従来技術によるものを表している。
【図２】本発明の第１の実施の形態における可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
【図３】本発明のキャンを表しており、（ａ）が第１の実施の形態におけるキャン断面の拡大図、（ｂ）が第３の実施の形態におけるキャン断面の拡大図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
【図５】従来技術による可動子を表しており、（ａ）が可動子の側面図、（ｂ）が可動子の側面における渦電流の発生図である。
【図６】従来技術による側面から見た可動子内部を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態と従来技術の粘性制動力を比較した図である。
【図８】従来技術によるキャンド・リニアモータの斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態における冷却キャンを有するリニアモータの全体斜視図である。
【図１０】本発明における渦電流発生箇所の様子を表わした概略図である。
【図１１】従来技術における渦電流発生箇所の様子を表わした概略図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態と従来技術の粘性制動力を比較した図である。
【符号の説明】
１０．可動子
１１．可動子ベース
１２．巻線固定枠
１３．電機子巻線
１４．キャン
１４’．ヘッダ
１５、１５１，１５２ スリット
１６ 漏れ防止シート
１７ 冷媒通路
１８ 接着材（樹脂）
１９．スリット内接着材（樹脂）
２０．固定子
２１．固定子ベース
２２．界磁ヨーク
２３．永久磁石
３１．冷媒排出口
３２．冷媒供給口
３３．ケーブル
Claims (8)
- 交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、前記永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子巻線を有する電機子とを備え、前記電機子には、前記電機子の長手方向に沿って前記電機子巻線を両面に装着した巻線固定枠と、前記電機子巻線と前記巻線固定枠を収納し両部材の周囲に冷媒を流すための冷媒通路を有したキャンと、前記キャンの両端のうち、何れか一方端に冷媒供給口を、他方端に冷媒排出口を配置したヘッダとが設けてあり、前記界磁ヨークと前記電機子の何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータにおいて、
前記キャンに細長いスリットを複数設けてあり、
前記キャンの内側に前記スリットを覆うように、シート状の漏れ防止シートを張り付けると共に、前記スリットに樹脂を流し込んだことを特徴とするキャンド・リニアモータ。 - 前記複数の細長いスリットは互いに平行に進行方向に延びていることを特徴とする請求項１記載のキャンド・リニアモータ。
- 前記複数の細長いスリットは互いに平行にかつ進行方向に分割されていることを特徴とする請求項１記載のキャンド・リニアモータ。
- 前記複数の細長いスリットは、進行方向に３×λ（λ＝極ピッチ）ごとに並んでいることを特徴とする請求項１または３記載のキャンド・リニアモータ。
- 前記複数の細長いスリットは互いに平行でかつ進行方向に分割されており、進行方向と直角な方向に隣接するスリットとの間に１．５×λ（λ＝極ピッチ）のずれがあることを特徴とする請求項１、３または４記載のキャンド・リニアモータ。
- 前記ヘッダに、互いに平行に進行方向に延びている細長いスリットを複数設けてあり、
前記ヘッダの内側には、前記スリットを覆うようにシート状の漏れ防止シートを貼り付けると共に、前記スリットに樹脂を流し込んだことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のキャンド・リニアモータ。 - 前記巻線固定枠に互いに平行に延びている細長いスリットを設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載のキャンド・リニアモータ。
- 交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークと、前記永久磁石列と磁気的空隙を介して対向配置されると共に、電機子巻線を有する電機子とを備え、前記電機子には、前記電機子の長手方向に沿って前記電機子巻線を両面に装着した巻線固定枠と、前記電機子巻線と前記巻線固定枠を収納し両部材の周囲に冷媒を流すための冷媒通路を有したキャンと、前記キャンの両端のうち、何れか一方端に冷媒供給口を、他方端に冷媒排出口を配置したヘッダとが設けてあり、前記界磁ヨークを固定子に、前記電機子巻線を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたキャンド・リニアモータにおいて、
キャン全長Ｌを以下に規定したことを特徴とするリニアモータ。
キャン全長：Ｌ、
永久磁石極ピッチ：λ、
整数：ｎ、としたとき、Ｌ＝（ｎ＋１／２）λ
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