JP5273040B2 - リニアモータ電機子およびリニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、吸引力相殺形のリニアモータに関し、特にその電機子を構成する２個の電機子巻線の結線および巻線の冷却に関する。

互いに平行に延びる２つの界磁ヨークの互いに対向する側に長さ方向に複数の永久磁石を極性が交互に異なるように配置して界磁極を構成し、一方、スロットとティースを有する電機子コアのそのスロットに電機子巻線を巻回して、上から上プレートで、また下から下プレートで電機子コアをサンドイッチ状に挟んで電機子を構成し、界磁極と電機子のいずれか１方を固定子とし他方を可動子としてリニアモータを構成する技術は公知である（例えば、特許文献１参照）。
図１２〜図１４は従来技術によるリニアモータを説明する図で、図１２はその正面断面図、図１３は各相の電機子巻線の結線関係を説明する上面図、図１４はその側面図である。

特開２０００−２２８８６０号公報

図１２において、２つの対向して配置された界磁ヨーク２ｂのそれぞれの対向する側に複数の永久磁石２ａを極性が交互に異なるように直線状に（図１２の紙面で垂直方向に）配置し、２つの界磁極２の間に磁気ギャップを介して電機子１を対向配置している。可動子となる上プレート１ｃの下方に電機子コア１ｂが固定され、電機子コア１ｂはＵ相・Ｖ相・Ｗ相の各相毎に設けられ、１個の電機子コア１ｂにはそれぞれ２個の電機子巻線（コイル）１ａが巻回されている。これら２個の電機子巻線１ａは、図１３に示すように各相（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）それぞれ２個の電機子巻線Ｕ１ＬとＵ１Ｒを、Ｖ１ＬとＶ１Ｒを、Ｗ１ＬとＷ１Ｒを、Ｕ２ＬとＵ２Ｒを、Ｖ２ＬとＶ２Ｒを、Ｗ２ＬとＷ２Ｒを、・・・といったようにそれぞれ結線キバン９の上で結線され、電機子１全体からはＵ・Ｖ・Ｗ各相のモータリードを１本ずつ出した構造としている。
図１４において、上プレート１ｃの下方に電機子コア１ｂが各相毎に固定され、その各相の電機子コア１ｂに電機子巻線１ａが２個巻回され（図では、一方の電機子巻線だけが描かれている。）、２個の各電機子巻線１ａは互いに結線キバン９で結線されている（図１３参照）。結線は結線キバン９の端部からコネクタ７を介して電機子１の外部に取り出される。
これらの電機子巻線を外部の制御装置によって選択的に励磁することによって電機子１と界磁極２とが逐次吸引・反発しあうことにより電機子１と界磁極２が相対移動することでリニアモータが構成される。
しかしながら、従来装置では、図１２〜図１４に示したように、電機子巻線１ａ同士の結線を電機子１の内部にある結線キバン９上で行なっているので、結線を簡単に変更することができないため、あらゆる要求性能に対応することができないという欠点があった。
また、図１２〜図１４に示したリニアモータは、リニアモータ駆動時、電機子が発熱し、可動子ベースやその上に取り付けられる負荷に伝熱してしまって好ましくなかった。特に、吸引力相殺形リニアモータは、液晶・半導体の製造装置や検査装置、または電子部品実装装置等に使用されることが多いが、これらの用途では、負荷への伝熱が大きなネックになることが多かった。
そこで、電機子巻線を冷却することが従来よりいくつか試みられた。
図１５は従来の冷却装置を備えたリニアモータを示している。
図１５において、図１２と同じ符号は同じ機能を有するものであるので、重複説明は省略する。図１５が図１２と異なるのは、図１５が図に示すように、冷却パイプ３ａを、温度上昇の高い電機子コア１ｂの側面に配置して成るものである。
これによって、電機子巻線１ａは冷却パイプ３ａによって冷却されるので、可動子ベースやその上に取り付けられる負荷に伝熱することが少なくなった。
しかしながら、この場合、電機子１と永久磁石２ａ列の磁気空隙を広げる必要があるため、モータの電気的特性が犠牲になるといった欠点があった。

また、別の冷却装置を備えたリニアモータも公知である。
図１６は別の冷却装置を備えたリニアモータを示している。
図１６において、図１２と同じ符号は同じ機能を有するものであるので、重複説明は省略する。図１６が図１２と異なるのは、図１６が図に示すように、銅管４ｉを取り付けた冷却ジャケット４ｊを可動子ベース１ｃの上に配置し、銅管４ｉに冷媒を流すことで冷却を行うというものである。
これによって、電機子巻線１ａは冷却パイプ４ｉによって冷却されるので、可動子ベース１ｃやその上に取り付けられる負荷に伝熱することが少なくなった。
しかしながら、この場合、アクチュエータの体格が大きくなってしまうという欠点があった。
従来装置では、電機子と永久磁石列の磁気空隙を広げる必要があるため、モータの電気的特性が犠牲になるといった欠点や、アクチュエータの体格が大きくなってしまうという欠点があった。

上記のように、従来装置では、図１２〜図１４に示したように、電機子巻線１ａ同士の結線を電機子１の内部にある結線キバン９上で行なっているので、結線を簡単に変更することができないため、あらゆる結線要求に対応することができなかった。
また、図１５および図１６に示したように、従来装置では、電機子と永久磁石列の磁気空隙を広げる必要があるため、モータの電気的特性が犠牲になるといった欠点や、アクチュエータの体格が大きくなってしまうという欠点があった。
本発明の目的はこれらの課題を解決するためになされたものであり、第１の目的はモータ駆動時の熱発生損失を抑え、負荷への伝熱を抑制する、高効率のリニアモータを提供することにある。
また、第２の目的はモータの電気的特性が犠牲になることのない、アクチュエータ体格の大型化を抑えることのできるリニアモータを提供することにある。

上記問題を解決するため、請求項１記載のリニアモータ電機子の発明は、ティースと前記のティースのそれぞれ界磁極側の近傍に形成された２カ所のスロットを有する電機子コアと、前記スロットにそれぞれ巻回される２つの電機子巻線と、前記電機子コアを上と下からサンドイッチ状に挟む上プレート及び下プレートと、を設けて成るリニアモータ電機子において、
前記下プレートの両端にストローク方向に沿って端子台を取り付け、
前記電機子コアは、前記２カ所のスロットを結ぶ渡り線溝が形成されており、
前記２つの電機子巻線をそれぞれ一筆巻きで形成し、前記２つの電機子巻線のコイル渡り線部位を前記渡り線溝内に収納して保護し、かつそれぞれの電機子巻線の巻き始め及び巻き終わりを前記端子台に結線したことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ電機子において、前記各端子台のＵ・Ｖ・Ｗ相のそれぞれを直列結線したことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ電機子において、前記各端子台のＵ・Ｖ・Ｗ相のそれぞれを並列結線したことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ電機子において、前記複数のティース（主ティースと言う）のストローク方向前端と後端に前記主ティースより小形の補助ティースをそれぞれ配置したことを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のリニアモータ電機子において、前記２つの電機子巻線をそれぞれ一筆巻きで形成することに代えて、前記２つの電機子巻線の一端同士を直接互いに結線したことを特徴としている。
請求項６記載のリニアモータの発明は、互いに平行に延びる２つの界磁ヨークと前記界磁ヨークの互いに対向する側に極性がストローク方向に交互に異なるように配置された複数の永久磁石とから成る２つの界磁極と、前記２つの界磁極の間に置かれた請求項１〜５のいずれか１項記載のリニアモータ電機子と、を備え、前記界磁極と前記電機子のいずれか１方を固定子とし他方を可動子としたことを特徴としている。
請求項７記載の発明は、請求項６記載のリニアモータにおいて、前記界磁極が前記電機子よりもストローク方向に短い界磁ヨークに直線状に配置した複数個の主極永久磁石と、前記界磁ヨークのストローク方向両端に取り付けた補極永久磁石とから成り、前記電機子を固定子に、前記界磁極を可動子としたことを特徴としている。
請求項８記載の発明は、請求項７記載のリニアモータにおいて、前記端子台に接続された前記電機子巻線を界磁と対向する電機子巻線だけを励磁するように時間的に切り替えるようにしたことを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、両側の電機子巻線を一筆巻きとしたので、２個の電機子巻線同士の結線行程を省略することができ、生産性の向上となり、さらに、各電機子巻線の巻き始め及び巻き終わりを電機子外部に設けた端子台に結線することによって、結線キバンレス化が可能となると共に結線を簡単かつ自由に変えられることとなる。
請求項２記載の発明によると、各端子台のＵ・Ｖ・Ｗ相のそれぞれを直列結線することにより、電源から供給する電流の抑制をすることができるようになる。
請求項３記載の発明によると、各端子台のＵ・Ｖ・Ｗ相のそれぞれを並列結線することにより、電機子巻線に誘起される電圧の抑制、つまり、モータ走行速度の向上が可能となり、要求されるあらゆるモータ性能に対応することができるようになる。
請求項４記載の発明によると、コギングが生じにくくなる。
請求項５記載の発明によると、既存の電機子巻線を用いても一筆巻きの場合と同じ効果、すなわち、結線キバンレス化が可能となると共に結線を簡単かつ自由に変えられることとなる。
請求項６記載の発明によると、モータ駆動時の熱発生損失を抑え、負荷への伝熱を抑制する、高効率のリニアモータが得られることとなる。
請求項７記載の発明によると、界磁ヨーク、永久磁石、補極永久磁石から成る界磁極のストローク方向長さを電機子よりも短くし、電機子を固定子に、界磁極を可動子とすることにより、モータケーブルを這い回さないシンプルな駆動機構が実現できるようになる。
請求項８記載の発明によると、励磁する電機子巻線を時間的に切り替えることでモータ発生損失を抑制した高効率駆動が可能となる。

本発明の実施例１に係るリニアモータの正面断面図である。 実施例１に係るリニアモータの電磁部の上面図である。 実施例１に係る各相の２個の電機子巻線の一筆巻きを説明する上面図である。 実施例１に係るリニアモータの上面図である。 実施例１に係るリニアモータの側面図である。 実施例１に係る各電機子巻線の結線回路図である。 本発明の実施例２を示す電磁部構成の詳細図である。 本発明の実施例２の結線回路を説明する図で、（ａ）は本発明による一筆巻きの状態の図、（ｂ）は実施例２による直列結線後の回路図である。 本発明の実施例３の冷却方法が実施されたリニアモータの正面図である。 図９の冷却系３（一点鎖線の枠内）の拡大図である。 本発明の実施例３の適用されたリニアモータの平面図である。 従来技術によるリニアモータの正面断面図である。 その各相の電機子巻線の結線関係を説明する上面図である。 従来技術によるリニアモータの側面図である。 従来技術による冷却装置を備えたリニアモータの正面断面図である。 従来技術による別の冷却装置を備えたリニアモータの正面断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、本発明において従来と同じ構成要素については同一符号を付して重複説明を省略し、異なる点のみ説明する。

図１〜図６は本発明の実施例１に係るリニアモータを説明する図である。
図１は本発明の実施例１に係るリニアモータの正面断面図、図２は図１の電磁部の上面図、図３は各相の２個の電機子巻線の一筆巻きを説明する上面図、図４はリニアモータの上面図、図５はその側面図、図６は各電機子巻線の結線回路図をそれぞれ示している。
図１および図２において、２つの対向して配置された界磁ヨーク２ｂのそれぞれの対向する側に複数の永久磁石２ａを極性が交互に異なるように直線状に（図１の紙面で垂直方向に）配置し、２つの界磁極２の間に磁気空隙を介して電機子１を配置している。可動子となる上プレート１ｃの下方に電機子コア１ｂが固定され、電機子コア１ｂはＵ相・Ｖ相・Ｗ相の各相毎に設けられ、１個の電機子コア１ｂにはそれぞれ２個の電機子巻線（コイル）１ａが巻回されている。
これら２個の電機子巻線１ａは、図３に示すように各相（Ｕ・Ｖ・Ｗ相）それぞれ２個の電機子巻線Ｕ１ＬとＵ１Ｒを、Ｖ１ＬとＶ１Ｒを、Ｗ１ＬとＷ１Ｒを、Ｕ２ＬとＵ２Ｒを、Ｖ２ＬとＶ２Ｒを、Ｗ２ＬとＷ２Ｒを（図１３の結線キバン９の上で結線することなく、）コイル渡り線１ｆで示すように一筆巻きで形成している点が特徴である。
電機子コア１ｂの１個の形状は、図２のハッチングで示した電機子コア１ｂのような形状をしている。すなわち、１個の電機子コア１ｂの形状は、ストローク方向一方中央に凹部とストローク方向他方中央に凸部とストローク方向の前記凹部および前記凸部の中間にボルト孔と直角方向に両端近傍にそれぞれ巻線収納用のスロット１ｓと２つのスロット１ｓを結ぶ渡り線溝１ｋとがそれぞれ形成されている。コイル渡り線１ｆはその渡り線溝１ｋ内に収納されて保護されている。

図４および図５において、上プレート１ｃの下方に電機子コア１ｂ（図２）が各相毎にボルト１ｍで固定されている。下プレート１ｄのストローク方向に沿って両端に端子台５が設けられ、２個の電機子巻線１ａ（図１）の両端の引き出し線１ｎが端子台５に接続される（図５参照）。各端子台５の各相端子にはそれぞれモータリード６が接続されて、纏めてコネクタ７に接続される。複数の電機子巻線１ａを図６で示すように、右側の電機子巻線１ａを纏めて接続する結線方法にするには、コネクタ７（図４）の側ですべて接続することで簡単に実現することができる。
また、図８（ａ）のような一筆巻きされた左右の電機子巻線１ａをさらに図８（ｂ）のように各相毎に接続する結線を行いたいときも、（電機子１の内部をあけることをしなくても）図８のコネクタ７（図４）の側でスイッチング素子を用いて簡単に実現することができる。
以上のように、本実施例では、各電機子巻線１ａの左右両側から出ているモータリードのうち片側を全て短絡（図６参照）する（つまり、結線上は並列結線とする）と、直列結線時に比べて誘起電圧を抑制できるため（図６ではＵ・Ｖ・Ｗ各相５コイルずつであり、誘起電圧は直列結線時の５分の１となる）、高速駆動要求に対応可能となる。
また、電機子巻線１ａを直列結線（図８（ｂ）参照）にすれば、並列結線時に比べ、電源から電機子に供給する電流を抑制できる（図５ではＵＶＷ各相５コイルずつであり、供給電流は並列結線時の５分の１となる）こととなる。
従来装置では電機子１の内部にある結線キバン上で結線を行なっていたので結線を簡単に変更することができなかったが、本発明のように図８（ａ）の一筆巻きされた左右の電機子巻線１ａの各引き出し線１ｎ（図５）を電機子１の外部にある端子台５に結線したことにより、各種結線を外部で簡単に実現できるので、あらゆる要求性能に対応することが可能となる。

図７及び図８は本発明のリニアモータの実施例２を示すもので、図７は電磁部構成の詳細図を、図８は巻線の結線回路を説明する図で、（ａ）は本発明による一筆巻きの状態の図、（ｂ）は実施例２による直列結線後の回路図をそれぞれ示している。
図７及び図８では、電機子１よりもストローク方向に短い界磁ヨーク２ｂに直線状に複数個の永久磁石２ａを配置して、かつ界磁ヨーク２ｂのストローク方向両端に補極永久磁石２ｃを取り付け、電機子１を固定子に、界磁極２を可動子とした点に特徴がある。
図８（ａ）に示すように、実施例２では、Ｕ・Ｖ・Ｗ各相に誘起される電圧が常時三相平衡を保つために、各電機子巻線の左右両側から出ているＵ・Ｖ・Ｗ各相を図８（ｂ）のようにそれぞれ直列結線している。図７及び図８の例は、全ての電機子巻線を常時励磁したものとなっているが、励磁する電機子巻線を時間的に切り替えることもできる。これにより、モータ駆動時に電機子巻線に発生する損失を最小限まで抑制し、高効率駆動が可能となる。
以上述べたように、リニアモータにおいて、電機子巻線の結線を電機子内部に配設したキバン上で行うのではなく、各電機子巻線を電機子の外部に取り付けた端子台に結線することによって、電機子可動形あるいは界磁極可動形のどちらにも適用でき、また、結線方法を自由に変えられることから、あらゆる要求性能に対応したモータを提供することができることとなる。
なお、以上の例では、２つの電機子巻線をそれぞれ一筆巻きで形成していたが、既存の電機子巻線を２個用いることももちろん可能である。その場合、２個の電機子巻線は結線キバンを介在させて結線するのではなくて、２個の電機子巻線のコイル端同士を本発明にしたがって直に接続するか、あるいは別のリード線でコイル渡り線１ｆ（図３）に相当する部分を代用させてもよい。

本発明の実施例３のリニアモータ冷却方法を図９〜図１１に示す。
図９は実施例３の冷却方法が実施されたリニアモータの正面図、図１０は図９の冷却系３（一点鎖線の枠内）の拡大図、図１１はリニアモータの平面図をそれぞれ示している。
実施例３のリニアモータ冷却方法は、リニアモータの電機子底面にパイプ固定部３ｂにより冷却パイプ３ａを固定したのが特徴である。
図９のように構成することで、実施例３の冷却系３は図１０に示すように、冷却パイプ３ａに流入したエアＬｕがエア噴出口３ｃ（図１１）から固定子ベース２ｄに向かって噴出され、その反射エアＬｕで電機子１を冷却することとなり、これによって負荷への伝熱を抑制することが可能となる。
このように、実施例３では、電機子の底面と固定子ベース間のスペースを利用して冷却を行うことにより、アクチュエータ全体の体格を増すことなく、負荷への伝熱を抑制することができるため、液晶・半導体の製造装置や検査装置、あるいは半導体実装装置などに適用可能である。

本発明のリニアモータ電機子は、電機子の各ティースの両スロットに巻回される２つの電機子巻線を、コイル渡り線を用いて一筆巻きで形成し、それぞれの電機子巻線の巻き始め及び巻き終わりを、電機子の外部にある端子台に結線を簡単に実現できるので、あらゆる要求性能に対応したリニアモータを提供することができ、液晶・半導体の製造装置などへ適用可能なことは勿論のことである。

１ 電機子
１ａ 電機子巻線
１ｂ 電機子コア
１ｂ１ 主ティース
１ｂ２ 補助ティース
１ｃ 上プレート
１ｄ 下プレート
１ｅ 電機子巻線
１ｆ コイル渡り線
１ｋ 渡り線溝
１ｍ ボルト
１ｎ 引き出し線
１ｓ スロット
２ 界磁極
２ａ 永久磁石（主極）
２ｂ 界磁ヨーク
２ｃ 永久磁石（補助極）
２ｄ 固定子ベース
３ 冷却系
３ａ 冷却パイプ
３ｂ パイプ固定部
３ｃ エア噴出口
３ｉｎ エア入口
３ｏｕｔ エア出口
４ｉ 銅管
４ｊ 冷却ジャケット
５ 端子台
６ モータリード
７ コネクタ
９ 結線キバン
Ｌｕ エア

Claims (8)

1. ティースと前記のティースのそれぞれ界磁極側の近傍に形成された２カ所のスロットを有する電機子コアと、前記スロットにそれぞれ巻回される２つの電機子巻線と、前記電機子コアを上と下からサンドイッチ状に挟む上プレート及び下プレートと、を設けて成るリニアモータ電機子において、
   前記下プレートの両端にストローク方向に沿って端子台を取り付け、
   前記電機子コアは、前記２カ所のスロットを結ぶ渡り線溝が形成されており、
   前記２つの電機子巻線をそれぞれ一筆巻きで形成し、前記２つの電機子巻線のコイル渡り線部位を前記渡り線溝内に収納して保護し、かつそれぞれの電機子巻線の巻き始め及び巻き終わりを前記端子台に結線したことを特徴とするリニアモータ電機子。
2. 前記各端子台のＵ・Ｖ・Ｗ相のそれぞれを直列結線したことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ電機子。
3. 前記各端子台のＵ・Ｖ・Ｗ相のそれぞれを並列結線したことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ電機子。
4. 前記複数のティース（主ティースと言う）のストローク方向前端と後端に前記主ティースより小形の補助ティースをそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ電機子。
5. 前記２つの電機子巻線をそれぞれ一筆巻きで形成することに代えて、前記２つの電機子巻線の一端同士を直接互いに結線したことを特徴とする請求項１記載のリニアモータ電機子。
6. 互いに平行に延びる２つの界磁ヨークと前記界磁ヨークの互いに対向する側に極性がストローク方向に交互に異なるように配置された複数の永久磁石とから成る２つの界磁極と、
   前記２つの界磁極の間に置かれた請求項１〜５のいずれか１項記載のリニアモータ電機子と、を備え、前記界磁極と前記電機子のいずれか１方を固定子とし他方を可動子としたことを特徴とするリニアモータ。
7. 前記界磁極が前記電機子よりもストローク方向に短い界磁ヨークに直線状に配置した複数個の主極永久磁石と、前記界磁ヨークのストローク方向両端に取り付けた補極永久磁石とから成り、前記電機子を固定子に、前記界磁極を可動子としたことを特徴とする請求項６記載のリニアモータ。
8. 前記端子台に接続された前記電機子巻線を界磁と対向する電機子巻線だけを励磁するように時間的に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項７記載のリニアモータ。

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