JP5436671B2

JP5436671B2 - リニアモータの電機子及びリニアモータ

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Publication number: JP5436671B2
Application number: JP2012523462A
Authority: JP
Inventors: 陽介高石; 興起仲
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: CN102971948A; TW201203808A; KR20130041083A; WO2012004858A1; CN102971948B; KR101367483B1; TWI422124B; JPWO2012004858A1; DE112010005722T5

Description

本発明は、リニアモータの電機子及びリニアモータに関する。

リニアモータの電機子には、高密度の巻線を施すことを目的として、個々に分割した磁極ティースに巻線を巻回し、各磁極ティースを連結する鉄心構造が採用されている。従来、各磁極ティースの連結には、各磁極ティースに設けた凹部と凸部との嵌合いによる結合、アリ溝と結合部材との嵌合いによる結合、又は、磁極ティース背面に設けた結合部と連結部材との溶接による結合が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００７−１８５０３３号公報

上記従来のリニアモータでは、電機子組立の際、個々の磁極ティースの結合箇所が多く、特に磁極ティースに凹部と凸部や、アリ溝と結合部材（アリガタ）による係合部を設けて結合を行う際は、係合部をスライドによる嵌挿によって結合する必要があり、組立作業性が悪い。

また、磁極ティースは、一般的にはプレス打抜きした電磁鋼板を奥行き方向に積層して製作している。このため、モータ容量を大きくするために磁極ティースの奥行きを増大させると、電磁鋼板の積層厚さが増し、積層による磁極ティースの傾きや、係合部の寸法のバラツキによって発生する誤差によって、組立性がさらに悪化する。ここで、磁極ティースの奥行き方向とは、固定子との対向面の方向及びモータ駆動方向の双方と直交する方向である。

さらに、ティース背面に連結部材を溶接した場合、溶接によって発生する熱で連結部材に反りが発生して組立精度が悪化する。しかも、溶接に時間がかかるため、生産性が悪い。さらに、連結部材を付加することによって電機子の外形寸法（高さ寸法）の増加や重量の増大を招く要因となるといった問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁極ティースの積層による寸法誤差が大きい場合でも組立精度への影響を受けにくく、かつ組立作業性が良好なリニアモータの電機子及びリニアモータを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、駆動コイルが巻回され且つ駆動方向に沿って整列配置された複数の磁極ティースを備え、リニアモータの可動子に用いられる電機子であって、複数の磁極ティースの各々を連結する管状の連結部材を有し、磁極ティースは、固定子と対向する面の方向及び駆動方向の双方と垂直な方向に延びる溝が係合部として設けられたヨーク部を、固定子と対向する面の反対側に、隣接する他の磁極ティースと当接するように備えており、連結部材は、複数の磁極ティースの各々の係合部の壁面に密着していることを特徴とする。

本発明にかかるリニアモータの電機子及びリニアモータは、磁極ティースの係合部の形状に合わせて管状の連結部材を密着させるため、磁極ティースの寸法誤差（電磁鋼板の積層などによる寸法誤差）の影響を受けにくいように磁極ティースを連結することが可能となる。また、係合部同士の嵌合いや溶接が不要であり、生産効率を向上させることができるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるリニアモータの実施の形態１の構成を示す図である。図２は、リニアモータの構成を示す正面図である。図３は、磁極ティース正面における連結部材の係合部を示す図である。図４は、磁極ティースを整列配置し、連結部材によって連結一体化する工程を示す斜視図である。図５は、連結部材の内部を加圧して連結部材と磁極ティースとを連結固定する工程を示す側面図である。図６は、磁極ティース正面における連結固定時のヨーク部の拡大図である。図７は、本発明にかかるリニアモータの実施の形態２の構成を示す斜視図である。図８は、磁極ティースを整列配置し、連結部材によって連結一体化する工程を示す斜視図である。図９は、連結部材と磁極ティースとの係合部の拡大図である。図１０は、本発明にかかるリニアモータの実施の形態３の構成を示す斜視図である。図１１は、磁極ティースを整列配置し、連結部材によって連結一体化する工程を示す斜視図である。図１２は、連結部材と磁極ティースとの係合部の拡大図である。図１３は、本実施の形態にかかるリニアモータの磁極ティースの詳細な構造を示す図である。図１４は、磁極ティースのヨーク部の端面を、歯が突出する方向に対して斜めに形成した回転型モータの組立工程を示す斜視図である。図１５は、磁極ティースのヨーク部の端面を、歯が突出する方向に対して斜めに形成した回転型の電機子構造を示す斜視図である。

以下に、本発明にかかるリニアモータの電機子及びリニアモータの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるリニアモータの実施の形態１の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）でのＩｂ−Ｉｂ線に沿った断面図である。図２は、リニアモータの構成を示す正面図である。図３は、磁極ティース正面における連結部材の係合部を示す図である。図４は、磁極ティースを整列配置し、連結部材によって連結一体化する工程を示す斜視図である。図５は、連結部材の内部を加圧して連結部材と磁極ティースとを連結固定する工程を示す側面図である。図６は、磁極ティース正面における連結固定時のヨーク部の拡大図であり、（ａ）は塑性変形前の状態、（ｂ）は塑性変形後の状態を示す。

図１（ａ）、（ｂ）において、リニアモータ１は、固定子２と電機子３とで構成されている。固定子２はモータ駆動方向（図中の両矢印方向）に沿って延びる板状の固定子ヨーク２１と、固定子ヨーク２１上にモータ駆動方向に沿って所定の間隔で交互に極性が異なるように配置された複数の永久磁石２２、２３とで構成されている。電機子３は、固定子２の永久磁石２２、２３と所定の間隔を空けてモータ駆動方向に沿って整列配置された複数の磁極ティース３１と、各磁極ティース３１に巻回された駆動コイルとしての巻線３２と、複数の磁極ティース３１を連結一体化する金属管からなる連結部材３３とから構成されている。

図１（ｂ）において、紙面上での磁極ティース３１の上部はヨーク部３１ｂとなっており、ヨーク部３１ｂから下方に突出して歯部３１ｃが形成され、各歯部３１ｃの周囲には巻線３２が巻回されている。

各磁極ティース３１のヨーク部３１ｂの背面には、図３に示すように、所定位置に磁極ティース３１の奥行き方向（図１（ｂ）では紙面に垂直な方向）に沿って、円弧状断面の溝からなる係合部３１ａが形成され、また、円弧の中心位置は背面に対して距離Ｂだけ離れた位置に存在する。そのため、溝の開口部（開口寸法Ａ）は円弧径（溝の最大幅）に対して小さい寸法となっている。

また、連結部材３３は金属管で形成されており、固定子２との対向面の方向から見てミアンダ形状（ここでは直線状の部分と曲線状の部分とを交互に接続した形状）を有しており、さらに、全長に亘って連続した中空形状となっている。

図２に示すように、連結部材３３の磁極ティース３１との係合部は、連結部材３３が直線状となる範囲の一部（区間Ｃ）となり、連結部材３３の係合部が磁極ティース３１の係合部の全長に沿って係合し、連結部材３３が塑性変形によって外形が拡大することで、複数の磁極ティース３１が連結一体化される。

本実施の形態にかかるリニアモータ１の電機子３の組立方法について説明する。まず、各磁極ティース３１に巻線３２をそれぞれ巻回する。そして、図４に示すように、各磁極ティース３１をそれぞれのヨーク部３１ｂの端面同士を当接させることによって整列させる。このようにして整列させることにより、各磁極ティース３１のヨーク部３１ｂの背面の連結部材３３との係合部３１ａが配列した状態となる。次いで、図５に示すように、配列された係合部３１ａに連結部材３３を挿入し、係合部３１ａの開口部を塞ぐことが可能なティース固定用の冶具４をヨーク部３１ｂの背面に押し当てた後、連結部材３３の先端部に加圧装置５を接続し、連結部材３３の管内部に液体又は気体を送り込んで加圧することで塑性変形させ、磁極ティース３１の係合部３１ａの溝と、連結部材３３の外周とを密着させる。連結部材３３が係合部３１ａの溝内面と密着することにより各磁極ティース３１は連結部材３３を介して連結一体化され、電機子３が完成する。

ここで、図４に示した塑性変形の要領についてさらに詳しく説明する。連結部材３３を磁極ティース３１の係合部３１ａに挿入可能とするためには、図６（ａ）に示すように、挿入する連結部材３３の塑性変形前の外径寸法Ｄは、係合部３１ａの開口寸法Ａよりも小さくする必要がある。さらに、連結部材３３を係合部３１ａに挿入後、内部に液体又は気体を送り込んで加圧して塑性変形させることで、図６（ｂ）に示すように、連結部材３３の塑性変形後の外径Ｅは、係合部３１ａの開口寸法Ａよりも大きくなるため、塑性変形後は係合部３１ａと連結部材３３とが固定される。このとき、磁極ティース３１の係合部３１ａは、図６（ｂ）では不図示の冶具４によって開口部が封鎖されているため、連結部材３３が内部圧力によって塑性変形を起こしても磁極ティース３１のヨーク部３１ｂの背面から突出することは無く、磁極ティース３１のヨーク部３１ｂの背面の面精度は確保される。

また、連結部材３３の先端部３３ａには、加圧装置５や先端部３３ａを封止するための部材を取り付けるための加工が施されていることが好ましい。例えば、タップ加工やプラグなどを挿入するための形状を設ける加工である。

また、先端部３３ａの片方を始めから閉口させておくことで、装置接続側の先端とは反対側の先端部３３ａを閉口する工程が不要となり、さらに組立性が向上する。

以上のように、本実施の形態によれば、各磁極ティース３１のヨーク部３１ｂの背面に設けた係合部３１ａに、１本の金属管からなる連結部材３３を密着させて、１回の加圧工程によって複数の磁極ティース３１を連結一体化しているため、組立のタクトタイムが大幅に短縮される。

また、係合部３１ａの形状に合わせて連結部材３３が塑性変形するため、磁極ティース３１に寸法誤差がある場合でも、誤差の影響を受けずに連結することが可能となる。しかも、連結部材３３は磁極ティース３１の背面部と一体化する構造となるため、連結部材３３を取り付けることによって電機子３の高さ方向の寸法が増加することは無い。さらに、連結部材３３は中空の管状であるため、連結部材３３を付加することによる電機子３の重量の増大量を抑えることができる。

さらに、連結部材３３は、塑性変形後も中空形状を維持しているため、循環ポンプ等を備えた循環系を連結部材３３の両端に接続すれば、中空部に冷却液を循環させることによって、冷却液の循環用の流路を別途設けることなくモータの冷却効果を得ることが可能となる。すなわち、連結部材３３の先端部３３ａの一方から管内に冷却液を送り込み、連結部材３３の内部を通過させた冷却液を他方の先端部３３ａから回収することで、電機子３を冷却することが可能となる。なお、冷却液を用いた液冷に限定されることはなく、空気やガスを循環させることによる空冷でも同様の冷却効果が得られる。連結部材３３に循環系を接続する場合には、先端部３３ａを最初から閉口させておくことはできないため、加圧の際にはプラグを挿入するなどして封止すれば良い。

また、連結部材で管長が長くなった場合（例えば奥行き方向の寸法が大きくなった場合）、管の内外径及び管の厚さを場所によって変化させると、加圧時の管内部の圧力を均一化でき、連結部材を係合部により確実に密着させることができる。例えば、加圧装置を接続する端に近い側ほど管の内外径を小さくしたり管の厚さを厚くし、加圧装置から遠い側の端ほど管の内外径を大きくしたり管の厚さを薄くすることによって、塑性変形後の管の外径を加圧装置からの距離に係わらず均一にして、密着度のばらつきを抑えることができる。

なお、ここではミアンダ状の連結部材３３を、固定子２との対向面方向から溝状の係合部３１ａに挿入する場合を例としたが、連結部材がＳ字状（１往復半のミアンダ）である場合には係合部は溝状でなくとも良い。具体的には、直線状又はＪ字状の金属管に磁極ティースを通した上で、Ｓ字の真ん中となる直線状の部分に磁極ティースが位置するように金属管を曲げてＳ字状の連結部材とし、その後、両端の直線状の部分を磁極ティースの孔状の係合部に奥行き方向から挿入すれば良い。このように、孔状の係合部を備えた三つの磁極ティースをＳ字状の連結部材で連結することが可能である。

実施の形態２．
図７は、本発明にかかるリニアモータの電機子の実施の形態２の構成を示す斜視図である。図８は、磁極ティースを整列配置し、連結部材によって連結一体化する工程を示す斜視図である。図９は、連結部材と磁極ティースとの係合部の拡大図であり、（ａ）は磁極ティース単体で、（ｂ）は連結部材の塑性変形前、（ｃ）は連結部材の塑性変形後の状態を示す。各図において、上記実施の形態１と同様の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態２にかかるリニアモータの電機子３を構成する磁極ティース３１のヨーク部３１ｂは、各磁極ティース３１が当接する端面に円弧状断面の溝３１ｄからなる係合部を有している。また、溝３１ｄの断面の中心は、端面に対して距離Ｆだけ離れた位置に存在する。そのため、溝３１ｄの開口寸法Ｇは円弧径（溝の最大幅Ｈ）に対して小さい寸法となる。

また、磁極ティース３１を密着固定するための連結部材３３１は櫛状の金属管で形成されている。連結部材３３１の先端の開口部３３１ａには、加圧装置を取り付けるための加工や、先端部３３１ａを封止するための部材を取り付けるための加工が施されている。

各磁極ティース３１を、それぞれのヨーク部３１ａの端面同士を当接させることによって整列させる。この後、各磁極ティース３１が当接することで溝３１ｄが向き合って形成されるヨーク部３１ｂの瓢箪状の孔３１ｅに対し、櫛状の連結部材３３１の歯部３３１ｂを挿入し、連結部材３３１の先端の開口部３３１ａから内部を加圧し、孔３１ｅと同様の形状に塑性変形させることで、連結部材３３１が楔の役割を果たし、各磁極ティース３１が連結一体化される。連結部材３３１が櫛状であるため、溝の開口部が露出していなくても、磁極ティース３１の奥行き方向から係合部に挿入可能である。

このように、本実施の形態にかかるリニアモータの電機子３は、２個の磁極ティース３１を当接させることで溝３１ｄを向かい合わせて１個の孔３１ｅを形成する構造であるため、概ね磁極ティース３１の奥行きの分だけ連結部材３３１の全長を短くすることができ、部材のコストダウンが可能となる。例えば、連結部材をミアンダ形状とする場合、実施の形態１の構成では、６個の磁極ティース３１を連結するために３往復のミアンダとする必要がある（図４参照）。これに対し、本実施の形態の構成では、２往復半のミアンダで６個の磁極ティース３１を連結できる。すなわち、連結部材の直線状の部分一つにつき電極ティースを二つ連結できるため、連結部材の全長を短くすることができる。

また、上記実施の形態１にかかるリニアモータの電機子では、連結部材３３を連続した金属管として構成する必要があるが、本実施の形態にかかるリニアモータの電機子３は、一つの磁極ティース３１に係合用の溝が二つ設けられているため、連結部材３３１が分割されていても複数の磁極ティース３１を連結一体化できる。例えば、連結部材３３１をＵ字形状の複数の金属管に代えることも可能である。連結部材を分割することにより、配列する磁極ティース３１の数が変化した場合でも、連結部材の使用数を変更するだけで対応可能となる。すなわち、磁極ティースの配列数が変化した場合でも連結部材を流用することができ、部品数の削減が可能となる。

この他、上記実施の形態１と同様の効果も得られるが、これについての重複する説明は割愛する。

実施の形態３．
図１０は、本発明にかかるリニアモータの電機子の実施の形態３の構成を示す斜視図である。図１１は、磁極ティースを整列配置し、連結部材によって連結一体化する工程を示す斜視図である。図１２は、連結部材と磁極ティースとの係合部の拡大図であり、（ａ）は磁極ティース単体、（ｂ）は、連結部材の塑性変形前、（ｃ）は、連結部材の塑性変形後の状態を示す。各図において、上記実施の形態１、２と同様の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

実施の形態３にかかるリニアモータの電機子３を構成する磁極ティース３１のヨーク部３１ｂのモータ駆動方向の端面の一方には、孔３１ｇを備えた円筒状の突起３１ｆと円弧状断面の溝３１ｄとが積層方向に対して一定の距離をおいて交互に配置されている。他方の端面には、一方の端面とは溝３１ｄ及び突起３１ｆが逆の並びで配置されている。また、突起３１ｆの円筒の中心は、磁極ティース３１の端面に対して距離Ｉだけ離れた位置に存在しており、隣接する磁極ティース３１のヨーク部３１を当接させた場合、隣接する磁極ティース３１同士の突起３１ｆの円筒の中心位置が偏心している。

また、磁極ティース３１を密着固定するための連結部材３３２は、Ｕ字状の金属管からなる。連結部材３３２の先端部３３２ａは、一方は開口となっており、加圧装置を取り付けるための端部加工が施されている。連結部材３３２の先端部３３２ａの他方は閉口されている。

各磁極ティース３１を、それぞれのヨーク部３１ｂの端面同士を当接させることによって整列させる。この際、アリ溝とは異なり、単に端面同士を突き合わせるだけで突起３１ｆと溝３１ｄとが係合する。これにより、磁極ティース３１同士の境界には、各々の磁極ティース３１の突起３１ｆが交互に配置され、孔３１ｇが概ね繋がった係合部が形成される。この後、係合部において概ね繋がっている各磁極ティース３１の孔３１ｇに対して、Ｕ字状の連結部材３３２を挿入し、連結部材３３２の先端の開口部３３２ａから内部を加圧し、孔３１ｇと同様の形状に塑性変形させることで、連結部材３３２の外周と孔３１ｇとが密着固定し、各磁極ティース３１が連結一体化される。実施の形態２と同様に、連結部材３３２の直線状の部分一つにつき電極ティース３１を二つ連結できるため、複数の連結部材３３２の総延長を短くすることができる。

図１３は、本実施の形態にかかるリニアモータの電機子３の磁極ティース３１の詳細な構造を示す図である。各磁極ティース３１は、奥行き方向に対して一定長さを有する小磁極ティース３１１が重合した構成となっており、小磁極ティース３１１のヨーク部３１１ａは、当接する端面の片面が円弧状断面の溝３１ｄからなる係合部を有しており、他方の面は孔３１ｇを備えた円筒状の突起３１ｆを有している。磁極ティース３１は、溝３１ｄと突起３１ｆとが一定の長さで奥行き方向に交互に配置されるように、小磁極ティース３１１をティースの積層方向に対して配列することで構成されている。上記のように、突起３１ｆと溝３１ｄとが係合することによって、孔３１ｇが概ね繋がった係合部が形成される。

本実施の形態においては、磁極ティース３１の係合部の孔３１ｇは、当接する磁極ティース３１同士の突起３１ｆの円筒の中心位置が偏心している。これにより、連結部材３３２が塑性変形すると、偏心している各係合部３１ｆの円筒の中心位置が重合する方向に力が発生し、各磁極ティース３１には当接する磁極ティース３１同士が引き寄せられ、ヨーク部３１ｂの端面同士が密着する。磁気ティース３１同士が密着して隙間が小さくなるため、磁気抵抗増加を抑制することが可能となり、組立精度も向上する。

この他、上記実施の形態１、２と同様の効果も得られるが、これについての重複する説明は割愛する。

上記実施の形態１〜３では、電機子３が直線運動するリニアモータの構造について説明したが、図１４に示すように、磁極ティース３１のヨーク部３１ｂの端面を、歯が突出する方向に対して斜めに形成し、これを連結部材３３３で連結することで、図１５に示すように回転運動をするリニアモータの電機子３を実現することも可能であり、上記同様の効果が得られる。

また、上記各実施の形態においては、連結部材を塑性変形させて係合部（溝や孔）の壁面に密着させる構成を例としたが、連結部材を係合部の壁面に密着させることができるのであれば、他の手法を用いても構わない。例えば、焼き嵌めによって連結部材と係合部とを密着させることも可能である。

以上のように、本発明にかかるリニアモータの電機子及びリニアモータは、工作機械や半導体製造装置等の産業用機械の軸送りや搬送用として有用である。

１リニアモータ
２固定子
３電機子
４冶具
５加圧装置
２１固定子ヨーク
２２、２３永久磁石
３１磁極ティース
３１ａ係合部
３１ｂ、３１１ａヨーク部
３１ｃ、３３１ｂ歯部
３１ｄ溝
３１ｅ、３１ｇ孔
３１ｆ突起
３２巻線
３３、３３１、３３２、３３３連結部材
３３ａ、３３１ａ、３３２ａ先端部
３１１小磁極ティース

Claims

駆動コイルが巻回され且つ駆動方向に沿って整列配置された複数の磁極ティースを備え、リニアモータの可動子に用いられる電機子であって、
前記複数の磁極ティースの各々を連結する管状の連結部材を有し、
前記磁極ティースは、固定子と対向する面の方向及び前記駆動方向の双方と垂直な方向に延びる溝が係合部として設けられたヨーク部を、前記固定子と対向する面の反対側に、隣接する他の磁極ティースと当接するように備えており、
前記連結部材は、管内圧によって塑性変形を生じさせて外径が拡大されることにより前記複数の磁極ティースの各々の前記係合部の壁面に密着しており、
前記係合部の開口寸法は、該係合部の最大幅よりも小さく、かつ、拡管前の前記連結部材の径よりも大きいことを特徴とするリニアモータの電機子。
前記係合部は、隣接する他の磁極ティースとの当接面に、該他の磁極ティースが備える前記係合部と向き合って前記当接面においてクビレをなして繋がるように設けられており、
前記連結部材が、二つの磁極ティースの向き合って繋がった前記係合部に跨って各々の壁面と密着したことを特徴とする請求項１記載のリニアモータの電機子。
駆動コイルが巻回され且つ駆動方向に沿って整列配置された複数の磁極ティースを備え、リニアモータの可動子に用いられる電機子であって、
前記複数の磁極ティースの各々を連結する管状の連結部材を有し、
前記磁極ティースは、孔が設けられた凸部を一方の端部に、前記凸部と係合可能な凹部を他方の端部に備え、固定子と対向する面の反対側に位置し、隣接する他の磁極ティースと当接するヨーク部を有する複数の小磁極ティースを、前記固定子と対向する面の方向及び前記駆動方向の双方と垂直な方向を前記孔の軸方向とし、かつ前記凸部と前記凹部とが交互に並ぶように配列して構成されており、
前記連結部材は、隣接する磁極ティースの前記凸部と前記凹部とが係合して形成された係合部の各々の前記孔を貫通し、管内圧によって塑性変形を生じさせて外径が拡大されることにより該係合部の孔の壁面に密着しており、
前記係合部において前記小磁極ティースの配列方向に隣接している各々の前記凸部の前記孔の断面の中心は、互いに偏心していることを特徴とするリニアモータの電機子。
前記連結部材は、ミアンダ形状であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項記載のリニアモータの電機子。
前記連結部材が櫛状であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項記載のリニアモータの電機子。
前記連結部材は、Ｕ字形状であることを特徴とする請求項３又は４記載のリニアモータの電機子。
前記連結部材の一端から管内に冷却液を送り込み、該連結部材の内部を通過させた前記冷却液を前記連結部材の他端から回収する手段をさらに有することを特徴とする請求項１、３、４、７から９のいずれか１項記載のリニアモータの電機子。
前記連結部材の端部に、他の部材の取り付け用の加工が施されていることを特徴とする請求項１、３、４、７から１０のいずれか１項記載のリニアモータ電機子。
前記連結部材の端部が一端を除いて閉口していることを特徴とする請求項１、３、４、７から９のいずれか１項記載のリニアモータの電機子。
請求項１、３、４、７から１２のいずれか１項記載のリニアモータの電機子と、該電機子の駆動方向に沿って所定の間隔で交互に極性が異なるように配置された複数の永久磁石を備えた固定子とを有するリニアモータ。