JP4636610B2 - リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、冷却機構を有する有鉄心のリニアモータに関する。特に、コイルが巻装された鉄心を鉄心内部から冷却液で直接冷却する冷却機構を有するリニアモータに関する。

１次側のコイルユニットが所定間隔で配列される各鉄心にコイルを巻装した構造である有鉄心単巻のリニアモータが知られている。具体的には、複数の櫛歯形状の鋼板を接着剤による接着、溶接、あるいはロウ付けによって積層してなる積層体の突出部位を鉄心とし、それらの鉄心のそれぞれに所定巻数で巻き回されたコイルが巻装される。コイルが鉄心に巻装された積層体はコイルベースに取り付けられ、エポキシのような樹脂によってモールドされる。コイルユニットは、永久磁石を配列した２次側の磁石板に所定の間隙を置いて配置される。このような構成のリニアモータは、所定の範囲で往復移動させる移動体、例えば、測定器のステージや工作機械のテーブルを移動させるサーボモータとして利用されている。

リニアモータは、原理的にコイルに電流を流して生じる電磁力によって直線方向の推力を発生させるので、必要な推力が大きくなるにしたがってコイルに流す電流を多くし、コイルに流れる電流が多くなるとコイルの発熱量が多くなる。誘導型や交流同期型のリニアモータの場合は、うず電流による発熱があるので、熱によるエネルギ損失がより大きくなる。また、鉄心とコイルは、モールド樹脂で覆われているので、熱が放散しにくい。特に、移動体を頻繁に往復移動させるサーボモータとして使用されるときは、繰返し加減速を行なうので発熱量が多くなる傾向にある。

したがって、一般に定格電流値が比較的高く設定され最大の推力が大きいリニアモータでは、コイルユニットに冷却機構が設けられる。最もよく知られている冷却構造は、例えば、特許文献１に示されるように、コイルベースまたは積層体のベース部位に冷却管を配設しまたは冷却液の流路を形成して冷却液を循環させる構造である（以下、ベース冷却方式という）。ベース冷却方式の冷却機構は、コイルベースにおける冷却配管の構成が比較的簡単であるが、発熱源であるコイルを間接的に冷却する構造であるから、冷却効果が十分であるとは言えない。

発熱源であるコイルを直接冷却する冷却構造（以下、コイル冷却方式という）は、例えば、特許文献２に開示されている。より具体的には、扁平冷却管の側面が単巻コイルの表面に接触するように鉄心間の溝部位に這わせてコイルを直接冷却することができるように構成される。コイル冷却方式の冷却機構は、発熱源であるコイルを直接冷却するので高い冷却効果を得ることができる。ただし、コイルの発熱の影響を直接受ける鉄心部位に冷却効果が及ばず局部的になりがちであり、改善の余地がある。また、扁平冷却管の構造を含めて冷却配管が比較的複雑である。

一方、コイルの発熱の影響を直接受ける鉄心を冷却する考え方がある（以下、鉄心冷却方式という）。鉄心冷却方式の冷却機構は、具体的には、例えば、特許文献３に開示されるように、鉄心に中空部位を設けて中空部位に冷却液を導入する構造である。鉄心冷却方式の冷却機構は、コイルの発熱の影響を直接受け、しかも上面以外がモールド樹脂で覆われて放熱しにくい鉄心部位を冷却液で冷却するので、ベース冷却方式に比べて冷却効率がよい。また、鉄心を通して鉄心に接触するコイルにもある程度の冷却効果を及ぼすことが期待できる。したがって、コイルユニット全体の温度を低くする効果が期待できる。

しかしながら、十分な冷却効果を得るだけの冷却液を導入するように鉄心に中空部位を設けることは現実的には極めて難しい。実際、中空部位が小さいと、接触面積が小さく供給される冷却液の量も少ないので十分な冷却効果が得られない。しかも、単純な形状の中空部位以外は、中空部位を形成する加工が困難である。また、中空部位に冷却液が滞留しやすく冷却効率は低い。そして、発熱源であるコイルの熱の影響を最も受けるコイルと接触する部分に冷却作用が働かないと十分な冷却効果が得られない。一方、冷却効果が得られるように中空部位を不用意に大きくすると鉄心の有効断面積が減り、磁束密度が小さくなって飽和しやすくなる。その結果、推力は低下し、その推力の低下の程度は熱損失による推力の低下に比べて著しく大きい。したがって、鉄心冷却方式の冷却機構は、冷却効果としては高い効果が期待されるが、冷却効果を除くと不利な点が多く実施が困難であるのが実状である。

したがって、本発明は、実用的で新規な鉄心冷却方式の冷却機構を有するリニアモータを得ることを目的とする。具体的に、異なるタイプの櫛歯形状の鋼板を組み合わせて積層して接合し鉄心に効果的な冷却液の流路を形成した冷却機構を有するリニアモータを提供する。なお、異なる外形を有する鋼板を積層して冷却液の流路を形成する構成については、特許文献４が参照される。

特開平１０−２２５０９４号公報（段落００２３−段落００２６） 特開２００２−４４９２８号公報（段落００１９−段落００２１） 実開昭５０−８４７１４号公報 特許第３６５８９８０号公報（段落０００７）

ここで、鉄心冷却方式の冷却機構を設けるに当たっていくつかの克服しなければならない課題がある。第１に、鉄心の有効断面積を大幅な推力の低下を生じさせる程度に減らさないことである。鉄心の有効断面積とは、鉄心における電磁力に影響する部位における実質的な断面積を意味する。鉄心に冷却液を供給するためには、鉄心に中空部位を設けなければならないから、有効断面積が小さくなることは避けられない。したがって、鉄心に中空部位を有効断面積を冷却効果が十分に得られる範囲で可能な限り小さくすることができる新たな構成を発想することが要求される。

第２に、十分な量の冷却液が確実に流動するように循環させることである。鉄心に単に中空部位を形成するだけでは、冷却液が中空部位に滞留してしまう。冷媒が気体であるならば、中空部位をギャップ側に貫通させる構造にして冷媒を流動させることができるが、冷媒が液体である場合に比べて冷却効率は相当低く、十分な冷却効果が得られない。冷媒が液体であるときは、液体をギャップに吐出させることは適切ではない。例えば、冷媒が液体であるとき、ギャップに流出する冷却液はコイルユニットや磁石板だけではなく、ユニットの取付部位や移動体の案内装置などの周辺機器や部材を浸食する。また、ギャップに流出する冷却液を適切に回収して循環させるためには相当大がかりな機構を設けることが要求され、極めて不利である。したがって、中空部位をギャップ側に貫通させる構造は採用できない。

第３に、コイルに冷却作用を及ぼすことである。発熱源はコイルであるから鉄心の中で最も温度が上昇する部分はコイルと接する部分である。したがって、鉄心のコイルと接する部分を冷却しないと他の部分を冷却しても間接的にコイルを冷却するベース冷却方式と同じように温度をあまり下げることができず、冷却効果が十分に得られない。一方、鉄心のコイルと接する部分を冷却することによって実質的にコイル冷却方式の冷却機構と同じようにコイルを直接冷却するのと殆ど同じ冷却効果を得ることができる。

コアが複数の櫛歯形状の鋼板の積層体でなる場合は、冷却液の流路から冷却液が漏出することがより確実に防止されていることが望ましい。例えば、冷却液が水であるとき、漏れた冷却水は周辺機器に漏電や錆の発生などの悪影響を及ぼし、リニアモータの信頼性を損なう。特に、冷却液を循環させるために冷却液に高い液圧がかけられてるときは、耐圧防漏の構造であることが望まれる。

本発明のリニアモータは、上記目的を達成するために、コイルが巻装された鉄心を鉄心内部から冷却液で冷却する冷却機構を有するリニアモータにおいて、櫛歯形状を有する第１の鋼板と、第１の鋼板と同じ櫛歯形状を有し外郭線に沿って外郭線と相似の線形状の抜き孔が設けられた第２の鋼板と、第１の鋼板と同じ櫛歯形状を有し両端に線形状の抜き孔と連通する抜き孔が設けられた第３の鋼板とを含んでなり、各鋼板を組合せ接合して各抜き孔によって冷却液の流路を形成する積層体をコアとするコイルユニットを設ける。

より具体的には、積層体が第２の鋼板を第１の鋼板と第３の鋼板で挟むように組合せ接合される。好ましくは、積層体が各鋼板をインサート金属を介した拡散接合法によって組合せ接合される。

本発明のリニアモータは、各鋼板の外郭線に沿って外郭線を鉄心内部にオフセットした線形状の冷却液の流路が形成された積層体を有するコイルユニットを備えた構成であるから、鉄心の有効断面積を殆ど犠牲にすることがなく、冷却液を鉄心内部に供給することができる。その結果、エネルギ損失をより少なくすることができるので、定格電流値を大きくできるとともに所定の制御電流値における推力を向上させる効果を奏する。

本発明のリニアモータは、第２の鋼板に設けられた線形状の抜き孔と第３の鋼板の両端に設けられた線形状の抜き孔と連通する抜き孔によって冷却液の流路が形成される積層体を有するコイルユニットを備えた構成であるから、冷却液を導入して各鉄心内部を通って外部へ導出させるように循環させることができる。したがって、十分な量の冷却液を複数の鉄心のそれぞれに確実に流動させることができ、冷却効果を高める。その結果、エネルギ損失をより少なくして、定格電流値を大きくできるとともに所定の制御電流値における推力を向上させる効果を奏する。

また、鋼板を組合せ接合することで冷却液の流路が形成されるので、コイルユニットに冷却管を配設する必要がなく、冷却配管を簡素化することができる。その結果、コイルユニットの部品点数を減らし製造をより容易にするので、製造コストを低減する効果を奏する。また、コイル冷却方式と比較して冷却管による鉄心の有効断面積の損失がないので、飽和特性を改善してエネルギ効率をより高くすることができる。加えて、コイルユニットの製造上の性能のばらつきを小さくすることができるから、リニアモータの性能に対する信頼性を向上させる効果を奏する。

本発明のリニアモータは、各鋼板の外郭線に沿って外郭線を鉄心内部にオフセットした線形状の冷却液の流路が形成されており、言い換えれば、鉄心の櫛歯形状の外形に相似の冷却液の流路が形成された積層体をコアとするコイルユニットを備えているから、冷却液はコイルの発熱の影響を最も受けるコイルと接する鉄心の表面により近い位置を循環する。そのため、鉄心をより効率よく冷却できる。その結果、定格電流値を大きくできるとともに所定の制御電流値における推力を向上する。

また、コイルと接する鉄心の表面により近い位置に冷却液の流路があるから、コイル冷却方式に匹敵する効率でコイルに冷却作用を及ぼす上に、鉄心とコイルとはコイルの全周全面で接しているので、コイル全体を冷却することができる。そのため、コイルユニットの温度を全体的に低くすることができ、コイルユニットの変形を小さく抑え、リニアモータ周辺部材の変形や温度の変化を小さく抑えることができる。その結果、モータの発熱による被移動体の位置決め精度の低下や温度の変化もしくは局部的な変形による機器の精度の低下を防止することができる優れた効果を発揮する。

積層体が各鋼板をインサート金属を介した拡散接合法によって組合せ接合されている場合は、インサート金属と鋼板の隣接金属原子の相互拡散が進行し拡散層によって一体化されるので、鋼板が密接かつ強固に接合される。したがって、鋼板間に液体が通る隙間がなく、高圧の冷却液に対して十分な耐圧性を得ることができる。その結果、より確実に冷却液を漏出を防止してリニアモータの性能に対する信頼性を向上させる効果を奏する。また、接合と同時に耐圧強度および防漏性能を得ることができるので、特別な防漏処理を施す必要がない。その結果、製造工程を簡素化して製造コストを低減する効果を奏する。

図１に、本発明のリニアモータにおけるコイルユニットの積層体の構成が示される。図２は、積層体を構成する櫛歯形状の鋼板を示す。本発明のリニアモータのコイルユニット１は、図示しないコイルが巻装された鉄心２を鉄心２の内部から冷却液で冷却する冷却機構を有する。コイルユニット１は、櫛歯形状を有する第１の鋼板１０と、第１の鋼板１０と同じ櫛歯形状の外形を有する第２の鋼板２０および第３の鋼板３０を含んでなる積層体３をコアとする。コアは、鉄心２とベース部位とでなる。コイルユニット１は、コイルを鉄心２に巻装した積層体３と、積層体３を支持するコイルベース４と、エナメル樹脂等のモールド樹脂５を含んで一体化される。

図２（Ａ）に示される実施の形態の第１の鋼板１０は、厚さ１ｍｍの珪素鋼板から櫛歯形状に切り出して作られる。図２（Ｂ）に示される第２の鋼板２０と図２（Ｃ）に示される第３の鋼板は、第１の鋼板１０と同じ材質の鋼板から外形が同じ櫛歯形状に切り出して作られる。第１の鋼板１０は、鉄心部位１１とベース部位１２を有する。第２の鋼板２０は、鉄心部位２１とベース部位２２を有する。第３の鋼板３０は、鉄心部位３１とベース部位３２を有する。

第２の鋼板２０は、櫛歯形状の外郭線２３に沿って外郭線２３を鉄心部位２１の内側にオフセットした外郭線２３と相似の線形状の抜き孔２４が設けられている。線形状の抜き孔２４は、例えば、ワイヤカット放電加工によって切り出すか、プレス加工によって打ち抜いて形成される。第３の鋼板３０は、ベース部位３２の両端に第２の鋼板２０に設けられる線形状の抜き孔２４の両端と連通する抜き孔３３が設けられる。

第１の鋼板１０〜第３の鋼板３０の各鋼板を組合せ接合して第２の鋼板２０に設けられる線形状の抜き孔２４と第３の鋼板３０に設けられる抜き孔３３の各抜き孔によって冷却液の流路が形成された積層体３が得られる。線形状の抜き孔２４が鉄心を冷却する冷却液の流路を形成するものであることが明らかである。そのため、各鋼板を組み合わせて接合するときは、自ずから第２の鋼板２０を最外層に用いることができない。したがって、基本的には、図１に示されるように、流路を形成する線形状の抜き孔２４を有する第２の鋼板を第１の鋼板１０と冷却液を積層体３でなるコアの外部から導入および外部へ導出する流路を形成する第３の鋼板３０で挟むように組合せ接合する。鋼板全体の枚数は、第１の鋼板１０〜第３の鋼板３０の各鋼板の板厚と積層体３の幅に依存する。図１に示される実施の形態では、積層体３の側面外壁を構成する第１の鋼板１０および第３の鋼板３０は、鋼板を接合した後の加圧された冷却液に対する耐圧強度に対応して１枚〜数枚とし、残りを第２の鋼板２０として、強度と冷却液の流路の確保を両立する。

第２の鋼板２０を積層体３の中間層に用いる以外は基本的に任意である。例えば、第２の鋼板２０と第３の鋼板３０を交互に配設し、第１の鋼板１０と第３の鋼板３０で挟むように配設することができる。なお、少なくとも片側端で線形状の抜き孔２４が切欠きを有するように形成した何枚かの第２の鋼板２０を用意することで、各鋼板を接合した後の積層体３でなるコアのベース部位端面に冷却液を導入ないしは導出する流路を形成させることができるから、このときは、第１の鋼板１０で第２の鋼板２０を挟み込むように配設することができる。ただし、鋼板を接合してコアを得ると同時に冷却液の流路を得る構成であるので、強度を考えると、あまり推奨されない。

実施の形態は、第１の鋼板１０〜第３の鋼板３０の各鋼板をインサート金属を介した拡散接合法によって組合せ接合している。各鋼板の接合にインサート金属を介した拡散接合法を用いることによって、インサート金属と鋼板の隣接金属原子の相互拡散が進行し拡散層によって一体化することができ、鋼板が密接かつ強固に接合される。具体的には、珪素鋼板に銅を電気メッキしてインサート金属を銅（Ｃｕ）とし、真空加熱炉中の２０枚の珪素鋼板を８×１０^−３Ｔｏｒｒの環境下で加圧力８ＭＰａ、加圧温度９００℃、加圧時間６時間で拡散接合した。１ＭＰａの圧力で２時間の耐液圧試験を行なった後、ウォータハンマー試験を２０回サイクル行なった結果、得られた積層体に液漏れは発生しなかった。また、インサート金属が銅であるときは、珪素鋼板の表面が実質的に銅メッキされているために防錆等の防水の効果を得られる利点がある。

図３および図４に、実施の形態の冷却効果を示す。図３および図４の（Ａ）はベース冷却方式の構造、（Ｂ）はコイル冷却方式の構造、（Ｃ）は本発明による鉄心冷却方式の構造のコイルユニットであり、図３はコイルベース側表面における温度分布を示し、図４はコア側表面および鉄心の温度分布を示す。実施の形態の鉄心冷却方式の構造は、発熱源であるコイル部位は若干高い温度を示すものの鉄心を含めて３５℃〜４０℃の低い温度に維持されている。特に、局部的に冷却されるのではなく、コイルユニットの全体が低い温度に維持されていることは、本発明の優れた効果として重要である。

本発明は、１次側のコイルユニットが所定間隔で配列される各鉄心にコイルを巻装した構造である有鉄心のリニアモータに利用できる。本発明は、コイルユニットの冷却効果を高めてエネルギ損失を小さくし、エネルギ効率を向上させるとともに、リニアモータの性能と信頼性を向上させる。

本発明のリニアモータのコイルユニットの積層体の構造を示す斜視図である。。 図１で示す積層体を構成する櫛歯形状の鋼板を示す平面図である。 従来のリニアモータのコイルユニットおよび本発明の実施の形態のリニアモータのコイルユニットの冷却による温度の分布を示すコイルベース側から見た斜視図である。 従来のリニアモータのコイルユニットおよび本発明の実施の形態のリニアモータのコイルユニットの冷却による温度の分布を示すコア上面側から見た斜視図である。

符号の説明

１ コイルユニット
２ 鉄心
３ 積層体（コア）
４ コイルベース
５ モールド樹脂
１０ 第１の鋼板
２０ 第２の鋼板
３０ 第３の鋼板

Claims (3)

1. コイルが巻装された鉄心を鉄心内部から冷却液で冷却する冷却機構を有するリニアモータにおいて、櫛歯形状を有する第１の鋼板と、該第１の鋼板と同じ櫛歯形状を有し外郭線に沿って前記外郭線と相似の線形状の抜き孔が設けられた第２の鋼板と、前記第１の鋼板と同じ櫛歯形状を有し両端に前記線形状の抜き孔と連通する抜き孔が設けられた第３の鋼板とを含んでなり、前記各鋼板を組合せ接合して前記各抜き孔によって冷却液の流路を形成する積層体をコアとするコイルユニットを備えたリニアモータ。
2. 前記積層体が前記第２の鋼板を前記第１の鋼板と前記第３の鋼板で挟むように組合せ接合されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記積層体が前記各鋼板をインサート金属を介した拡散接合法によって組合せ接合されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。

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