JP5832763B2 - リニアモーター - Google Patents

Description

本発明は、コイルと永久磁石で構成されるコアレスタイプのリニアモーターに関する。

複数の円筒状の永久磁石から発生される磁界と、円筒状のコイルに流される電流との作用により推力を得るコアレス型の円筒型リニアモーターが知られている（特許文献１）。このリニアモーターは「シャフトモーター」と呼ばれることもある。

この種のリニアモーターは、図５に示すように、中心軸方向に着磁した複数の円筒状の永久磁石５１を繋ぎ合わせて棒状に構成し、その周囲に微小ギャップをおいて円筒状のコイル５２をスライド可能に組み合わせて成る。永久磁石５１は、Ｎ極、Ｓ極が交互になるように同じ磁極同士を対向させて組み合わせされ、固定子となる。コイル５２は、ここでは三相リニアモーターを構成するために、少なくとも３個のコイルからなり、それぞれのコイルには電気的に１２０°の位相差を持つ電流が流され、可動子となる。すなわち、コイル５２への通電を切り替えることで可動子を固定子に沿って直線移動させる。

特開平１０−３１３５６６号公報 特開２００３−２０９９６２号公報

ところで、この種のリニアモーターにおいては、コイル５２への通電による発熱作用があり、この熱は永久磁石５１に対して減磁作用を与えるので、コイル５２からの放熱を抑制する手段が必要とされる。

リニアモーターにおいて、可動子側のコイルからの放熱を抑制するために、可動子側を冷却する例は、特許文献２に示されている。

しかしながら、特許文献２のリニアモーターは、可動子側を冷却するために、可動子に冷却媒体の通路を設け、可動子とは別の冷却媒体供給（あるいは循環）手段に接続して冷却媒体を供給（あるいは循環）する構成となるため、可動子側のサイズ、重量が大きくなってしまうという問題や、その分だけ推力が小さくなるという問題がある。

なお、特許文献２のリニアモーターでは、固定子側の永久磁石を中空の円筒状にしてこの中空部に冷却媒体を通すことで固定子側を冷却することや、更に永久磁石をパイプに収容してパイプと永久磁石の外周との間の隙間にも冷却媒体を通すことで固定子側を冷却することも行なわれている。

しかし、特許文献２のリニアモーターは、可動子側の冷却のために可動子側専用の冷却回路が不可欠であり、可動子側に加えて固定子側も冷却しようとする場合には固定子側専用の冷却回路を必要とする。

そこで、本発明は、可動子側に冷却手段を設けることなく、可動子、固定子の双方を冷却することのできるリニアモーターを提供しようとするものである。

本発明の態様によれば、複数の永久磁石を直列に繋ぎ合わせてなる固定子と、この固定子の外周側に該固定子に沿ってスライド可能に組み合わされた筒状のコイルを持つ可動子とを備えたリニアモーターにおいて、前記複数の永久磁石を、その外径より大きな内径を有するとともに前記コイルの内径より小さな外径を有するパイプに収容し、前記パイプの少なくとも一端側に冷媒供給手段を接続して前記永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間に冷媒を導入可能にし、しかも前記パイプの所定箇所に設けられた穴を通して前記冷媒を前記パイプ外に噴出させるようにしたことを特徴とするリニアモーターが提供される。

上記態様によるリニアモーターにおいては、前記複数の永久磁石は、それらの両側から２つの保持部により挟まれるようにして保持され、前記パイプは前記２つの保持部の間に架け渡され、少なくとも一方の前記保持部に、前記冷媒供給手段が接続されるとともに前記永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間に冷媒を導入するための導入口が１個以上設けられていることが好ましい。

上記態様によるリニアモーターにおいてはまた、両方の前記保持部に前記１個以上の導入口が設けられ、前記穴は、前記パイプの中心軸方向に間隔をおいた複数箇所であって、かつ前記パイプの周方向に間隔をおいて複数個設けられ、前記パイプの中心軸方向に間隔をおいた複数箇所は、前記可動子のスライドの多い領域に設定されることが好ましい。

上記態様によるリニアモーターにおいては更に、前記導入口を持つ前記保持部と該保持部に最も近い前記永久磁石の間に、当該保持部との対向面を錐形状にしたスペーサを介在させることが望ましい。

上記態様によるリニアモーターにおいては更に、前記１個以上の導入口の総断面積を前記永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間の断面積より大きくし、かつ前記穴の総面積を前記永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間の断面積より小さくすることが望ましい。

本発明によれば、固定子内部、つまり永久磁石の過熱を防ぐことができるだけでなく、可動子を冷却することができるので、温度に起因するリニアモーターの特性変化を防ぐことができる。

本発明の実施形態によるリニアモーターにおける、固定子と可動子の断面構造を示した図である。 図１に示された固定子の外観を示した斜視図である。 本発明の実施形態によるリニアモーターにおける、パイプ表面、Ｕ相コイル表面、コイルケーシングの温度計測結果を室温と共に示した図である。 本発明の実施形態によるリニアモーターにおける、Ｕ相コイル表面の温度とＵ相コイルの通電電流（実効値）との関係を、冷却有りと冷却無しの場合について示した図である。 リニアモーターの一般的な例を説明するための図である。

本発明は以下の着想に基づいてなされたものである。

筒状の永久磁石を複数個繋ぎ合わせたうえでパイプに収容して棒状の固定子を構成し、その周囲に筒状のコイルによる可動子をスライド可能に組み合わせたリニアモーターにおいては、コイルに通電し駆動した場合にジュール熱が発生する。この熱はコイルのケーシングを通してコイルの外側に放出されるか、コイルの内側の外気に伝わる。コイルの内側に伝わった熱は永久磁石を収容、保護しているパイプに伝わり、内部の永久磁石にまで達して永久磁石の温度を上昇させる。

この現象は、特に、可動子の駆動範囲（距離）が可動子全長より短い場合に顕著となる。これは、棒状の固定子を構成している複数の永久磁石の中には常にコイルからの発熱にさらされるものが出てくるためである。すなわち、永久磁石の外周にコイルが位置しているため、この箇所の永久磁石は熱の排出が滞り過熱されてしまう。永久磁石の温度が上昇すると磁気特性が変化するという問題が発生する。そして、磁気特性が変化すると、リニアモーターの特性が変化し精密な制御が出来なくなる。

本発明はこのような問題を解決しようとするものであり、永久磁石とその外側に配置されたパイプの間に流体を流すことで永久磁石を冷却する。このために、固定子の端部に流体の供給源を接続できるような構成とする。加えて、パイプの所定箇所に貫通穴を設けることにより、永久磁石をその外周側から直接冷却するとともに、パイプの貫通穴から流体を噴出させることにより、可動子、つまりコイルをその内側から冷却する。これにより、可動子側に冷却のための余分な部品を搭載すること無く固定子側からコイルを冷却することが可能になる。なお、流体は圧縮空気が好ましいが、液体でも良い。

以下に、図１〜図４を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態による三相リニアモーターにおける固定子と可動子の断面構造を示し、図１（ａ）は固定子の中心軸に沿った断面図、図１（ｂ）は固定子の中心軸に垂直な断面図、図１（ｃ）は固定子と可動子の組み合わせを図１（ａ）の左側から見た図である。以下では、中心軸という場合、特にことわりがない場合、固定子の中心軸を意味する。また、以下では、固定子が円柱状で可動子が円筒状である場合について説明するが、これらは固定子の断面形状と可動子の開口面とが対応していれば良く、固定子は円柱状のほか、円筒状、角筒状、角棒状のいずれでも良く、可動子は円筒状のほか、角筒状でも良い。

固定子１０は、複数のリング状あるいは円筒状の永久磁石１１を複数個直列に繋ぎ合わせてなる。特に、永久磁石１１はその中心軸方向に着磁され、Ｎ極、Ｓ極が交互になるように同じ磁極同士を対向させて組み合わされている。この組み合わせ手法の一例を説明すると以下の通りである。

全長にわたって雄ネジを切ったセンター軸１２の一端側を、保持部１３ａの一端側中心に設けた雌ネジ１３ａ−１にねじ込む。次に、センター軸１２にスペーサ１４ａを装着する。スペーサ１４ａは、後述する理由により、保持部１３ａとの対向面が円錐の先端部を切断した錐形にされている。

続いて、複数の円筒状の永久磁石１１を、Ｎ極、Ｓ極が交互になるように同じ磁極同士を対向させてセンター軸１２に装着してゆく。その際、隣り合う永久磁石１１の間には反発力が作用するので、図示しない治具により永久磁石１１を中心軸方向に関して押さえながら装着してゆく。あるいはまた、永久磁石１１の内径側にセンター軸１２の雄ネジに螺合する雌ネジが形成されていても良い。永久磁石１１の個数は、可動子２０のストロークにより決められる。

所定数の永久磁石１１を装着したら、センター軸１２にナット１５−１を装着し、所定数の永久磁石１１相互の締め付けを行なう。この締め付けは、後で緩みが生じないように、ダブルナット１５−１、１５−２で行なわれるのが望ましい。

次に、センター軸１２にスペーサ１４ｂを装着した後、パイプ１６を装着し、センター軸１２の他端側を保持部１３ｂの一端側中心に設けた雌ネジ１３ｂ−１にねじ込む。スペーサ１４ｂは、スペーサ１４ａと同様、保持部１３ｂとの対向面が円錐の先端部を切断した錐形状にされているほか、反対側にはダブルナット１５−１、１５−２の収納部が形成されている。また、パイプ１６を保持部１３ａと保持部１３ｂとの間に架け渡すために、保持部１３ａ、１３ｂの外周部の一部がパイプ１６に入り込むようにされている。この場合、パイプ１６と保持部１３ａ、１３の継ぎ目は、気密を保つためにＯ（オー）リングや粘性流体状のシール材、あるいはロウ付け等の方法により密閉するのが好ましい。

以上のように構成された固定子１０に、３つのリング状あるいは円筒状のコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗをコイルケーシング２２に収容してなる円筒状の可動子２０が、固定子１０に沿ってスライド可能に組み合わされる。コイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗはそれぞれボビンに巻線を巻回してなり、巻線はスターあるいはデルタ結線されて、図示しない三相電源に接続されるとともに図示しない制御装置に接続される。三相電源との接続形態や制御装置による制御形態は本発明の要旨ではないので、詳しい説明は省略する。

保持部１３ａ、１３ｂにはそれぞれ、等角度間隔をおいて中心軸方向に貫通する複数、ここでは９０度の角度間隔をおいて３個の導入口１３ａ−２、１３ｂ−２が設けられている。これらの導入口にはそれぞれ、冷媒供給源としての送風機３０から冷媒として圧縮空気を供給するための配管３１が継ぎ手３２を介して接続されている。なお、保持部１３ｂには、図１（ｃ）に示すように、中心軸に直角な方向に、雌ネジ１３ｂ−１にまで至るネジ穴１３ｂ−３を設けて雄ネジをねじ込むことによりセンター軸１２の緩みを防止するようにしている。これは、保持部１３ａ側も同様である。

さて、パイプ１６は、その内径が永久磁石１１の外径より大きく、外径がコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗの内径より小さいので、永久磁石１１の外周とパイプ１６の内周との間にはギャップＧ１の環状空間が形成され、パイプ１６の外周と可動子２０の内周との間にはギャップＧ２の空間が形成される。

また、本実施形態では、パイプ１６には、中心軸方向に間隔をおいた２箇所であって、周方向に間隔をおいた８箇所に、合計１６個の貫通穴１６ａが設けられている。

以上のような構造により、固定子１０の両側の保持部１３ａ、１３ｂにおける導入口１３ａ−２、１３ｂ−２から導入された圧縮空気はそれぞれ、スペーサ１４ａ、１４ｂの錐形状の外面側のスペースを通して永久磁石１１とパイプ１６の間の環状空間に導入されて中央部側に流れ、貫通穴１６ａを通してパイプ１６の外に噴出する。この時、導入口とギャップＧ１の環状空間との間に、錐形状のスペーサによるスペースがあることにより、３個の導入口から導入された圧縮空気はギャップＧ１の環状空間に均一に流れ易くなる。これが、スペーサ１４ａ、１４ｂの保持部１３ａ、１３ｂとの対向面を錐形状にしている理由である。

ギャップＧ１の環状空間を通る圧縮空気は固定子１０、つまり永久磁石１１をその外周側から冷却し、貫通穴１６ａから噴出した圧縮空気は可動子２０、つまりコイル２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗをそれらの内周側から冷却する。特に、貫通穴１６ａを設ける領域を、可動子２０のストローク範囲の中でも、特に往復移動において重なりを生じ易い領域、つまりコイルからの発熱が滞り易い領域、例えば中心軸方向に関して中央部領域とすることで、可動子２０の冷却効率を向上させることができる。

更に、各保持部における３つの導入口の総断面積を、永久磁石１１の外周とパイプ１６の内周との間のギャップＧ１の環状空間の断面積より大きくし、かつ貫通穴１６ａの総面積をギャップＧ１の環状空間の断面積より小さくすることで圧縮空気の流速、コイル内面への噴出速度を高くして可動子２０の冷却効果を高めることができる。

図３は、本実施形態によるリニアモーターにおける、パイプ１６表面、Ｕ相コイル２１Ｕ表面、コイルケーシング２２の温度計測結果を室温と共に示した図である。

図３から明らかなように、固定子１０に圧縮空気を導入すると、パイプ１６表面、Ｕ相コイル２１Ｕ表面、コイルケーシング２２のいずれも、速やかに温度が低下し、冷却効果の高いことがわかる。

図４は、本実施形態によるリニアモーターにおける、Ｕ相コイル２１Ｕ表面の温度とＵ相コイル２１Ｕの通電電流との関係を、冷却有りと冷却無しの場合について示した図である。

図４からも、本実施形態の冷却構造による冷却効果の向上により、通電電流を冷却無しの場合に比べて増加させることができることがわかる。その結果、リニアモーターとしての推力アップを実現することができる。

以上、本発明を、好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、請求項に記載された本発明の精神や範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

本発明によるリニアモーターは、精密機器の搬送部、例えば半導体製造装置の搬送系に適しているが、この限りではない。

１０ 固定子
１１ 永久磁石
１２ センター軸
１３ａ、１３ｂ 保持部
１４ａ、１４ｂ スペーサ
１６ パイプ
２０ 可動子
２１Ｕ、２１Ｖ、２１Ｗ コイル
３１ 配管
３２ 継ぎ手

Claims (5)

1. 複数の永久磁石を直列に繋ぎ合わせてなる固定子と、この固定子の外周側に該固定子に沿ってスライド可能に組み合わされた筒状のコイルを持つ可動子とを備えたリニアモーターにおいて、
   前記固定子は、中実のセンター軸の周囲に円筒状の前記複数の永久磁石を直列に繋ぎ合わせるように装着してなり、
   前記センター軸に装着された前記複数の永久磁石を、該永久磁石の外径より大きな内径を有するとともに前記コイルの内径より小さな外径を有するパイプに収容して前記複数の永久磁石の外周と前記パイプの内周との間に空間を形成してなり、
   前記パイプの少なくとも一端側に冷媒供給手段を接続して前記複数の永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間に冷媒を導入可能にし、しかも前記パイプの所定箇所に設けられた穴を通して前記冷媒を前記パイプ外に噴出させるようにしたことを特徴とするリニアモーター。
2. 請求項１に記載のリニアモーターにおいて、前記複数の永久磁石は、それらの両側から２つの保持部により挟まれるようにして保持され、前記パイプは前記２つの保持部の間に架け渡され、少なくとも一方の前記保持部に、前記冷媒供給手段が接続されるとともに前記永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間に冷媒を導入するための導入口が１個以上設けられていることを特徴とするリニアモーター。
3. 請求項２に記載のリニアモーターにおいて、両方の前記保持部に前記１個以上の導入口が設けられ、前記導入口を持つ前記保持部と該保持部に最も近い前記永久磁石の間に、当該保持部との対向面を錐形状にしたスペーサを介在させたことを特徴とするリニアモーター。
4. 請求項２又は３に記載のリニアモーターにおいて、前記１個以上の導入口の総断面積を前記永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間の断面積より大きくし、かつ前記穴の総面積を前記永久磁石の外周と前記パイプの内周との間の空間の断面積より小さくしたことを特徴とするリニアモーター。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のリニアモーターにおいて、前記センター軸の外周にはその全長にわたって雄ネジが切られ、前記複数の永久磁石の内径側には前記雄ネジに螺合する雌ネジが切られていることにより前記複数の永久磁石がねじ込みで前記センター軸に装着されていることを特徴とするリニアモーター。

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