JP5840231B2

JP5840231B2 - リニアモータ

Info

Publication number: JP5840231B2
Application number: JP2013553122A
Authority: JP
Inventors: 成田　純一; 純一成田; 良永田; 真樹黒野
Original assignee: Fuji Machine Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Corp
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: US20140375148A1; US9397538B2; CN108574391A; CN104067493A; JPWO2013105214A1; WO2013105214A1

Description

本発明は、リニアモータのコイルを冷却する構造に関する。

従来から特許文献１に示されるように、電子部品実装装置の装着ヘッドを移動させる移動装置には、リニアモータが用いられている。このようなリニアモータは、ボビンの外周部に巻回された複数のコイルを有する可動子と、ボビンの内部に複数設けられた永久磁石を有する固定子とから構成されている。そして、このリニアモータは、コイルの外周面に沿うように接触して取り付けられた放熱部材で、コイルで発生した熱を放熱させることにより、コイルの蓄熱を防止して、コイルの焼損を防止している。

ＷＯ２００６／０４０９１３号公報（図１）

しかしながら、各コイルの外周面の形状は、各コイルによって異なり、また、各コイルの外周面の曲率半径と、放熱部材の内周面の曲率半径が一致しないことから、コイルの外周面と放熱部材の内周面との間に隙間が開いてしまい、コイルから放熱部材への熱伝達が十分で無く、コイルの発熱を放熱部材によって十分に放熱させることができないという問題があった。このため、コイルの焼損を防止するために、コイルに流す電流量が制限され、移動装置の移動速度が制限されてしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、冷却性能を高めたリニアモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決する請求項１に係るリニアモータの発明は、連ねて設けられた複数の磁力発生部材を有する固定子と、前記固定子の外側に巻回され、前記固定子の軸線方向に連ねて設けられた複数のコイルを有する可動子と、から構成されたリニアモータであって、隣接する前記コイルの間に、前記コイルの側面に沿うように、前記コイルの発熱を放熱させるための熱伝達部材を設けた。また、前記熱伝達部材は、集熱部と、前記集熱部と接続し前記コイルから離れる方向に突出する放熱部とから構成されたヒートパイプであり、前記集熱部は、前記コイルの径方向に扁平な平面を有するとともに、前記コイルの周方向に沿って曲がった形状であり、前記平面においてコイルの側面と接触する。

このように、隣接するコイルの間に、コイルの側周面に沿うように熱伝達部材を設け、その熱伝達部材は、集熱部と、集熱部と接続しコイルから離れる方向に突出する放熱部とから構成されたヒートパイプであり、集熱部は、コイルの径方向に扁平な平面を有するとともに、コイルの周方向に沿って曲がった形状であり、平面においてコイルの側面と接触するようにしたので、コイルの側周面と熱伝達部材としてのヒートパイプが曲面でなく平面で接触し、コイルの側周面とヒートパイプが確実に接触する。このため、コイルで発生した熱が確実にヒートパイプに伝熱し、コイルで発生した熱を、ヒートパイプを介して確実に放熱させることができ、リニアモータの冷却性能を向上させることが可能となる。また、コイルの側周面の両側にヒートパイプが接触するので、従来と比べて、コイルで発生した熱をより多くヒートパイプに伝熱させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記放熱部は、前記集熱部の上方に位置している。これにより、集熱部で蒸発した作動液が、確実に放熱部に移動し、また、放熱部において凝集した作動液がその自重により確実に集熱部に戻る。このため、作動液が集熱部と放熱部間において蒸発と凝集を繰り返して確実に循環するので、コイルで発生した熱を確実に放熱部材で放熱させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２において、前記コイルの巻始め線又は巻き終わり線を前記コイルの外部に出線するために、隣接する前記コイル間に形成された隙間に、前記熱伝達部材が配設されている。これにより、従来からある隣接するコイル間の隙間に、熱伝達部材を配設することにより、可動子の大型化を防止しつつ、コイルの冷却性能を高めることが可能となる。

本実施形態のリニアモータの上面図である。可動子の斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。比較例としての従来のリニアモータを表した図であり、（Ａ）は従来のリニアモータの横断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ断面図である。冷却部材がコイルの両側に設けられている実施形態のリニアモータの上面図である。ファンが放熱部材の長手方向に複数に設けられている実施形態のリニアモータの上面図である。

（本実施形態のリニアモータの説明）
以下に図１〜図４を用いて本発明の１実施形態であるリニアモータ１００について説明する。なお、図１、図２では、後述のヨーク２３（図３示）を省略して表している。また、本実施形態のリニアモータ１００は、電子部品実装装置の装着ヘッドを移動させる移動装置に用いられるが、電子部品実装装置の構成は、上記した特許文献１や特開２０１０−１７２０７０号公報に開示され周知であるので、説明を割愛する。

本実施形態のリニアモータ１００は、三相のリニアモータであり、図１に示すように、固定子１０と、この固定子１０に移動可能に取り付けられた可動子２０とから構成されている。固定子１０は、電子部品実装装置の基台に装架され、可動子２０及び図示しないリニアガイドに装着ヘッドが取り付けられて、被移動部材である装着ヘッドが基台に対して予め設定された経路に沿って移動可能となっている。

図３に示すように、固定子１０は、円筒形状のパイプ１２と、このパイプ１２の内部に収納された円柱形状の複数の永久磁石１１を有している。パイプ１２は、各永久磁石１１の磁束を透過させる非磁性材料（ステンレス鋼等）により構成されている。永久磁石１１は、隣接する永久磁石１１のＳ極どうし、Ｎ極どうしが後述のスペーサ（不図示）を挟んで対向するように、パイプ１２内に一直線状に連ねて設けられている。なお、隣接する永久磁石１１間には、鉄等の磁性体で構成された扁平な円柱形状のスペーサ（不図示）が挟み込まれている。このスペーサは、ヨークとしての役割を果たす。

図１〜図４に示すように、可動子２０は、ボビン２１、複数のコイル２２、及び、冷却部材２５を有している。ボビン２１は、円筒形状の樹脂等の非磁性体であり、その内部に固定子１０が挿通されている。複数のコイル２２は、ボビン２１の外周面に巻回され、ボビン２１の軸線方向に所定間隔をおいて複数設けられている。言い換えると、複数のコイル２２は、固定子１０の外側に巻回され、固定子１０の軸線方向に連ねて設けられている。図４に示すように、隣接するコイル２２間には、コイル２２の巻始め線又は巻き終わり線をコイル２２の外部に出線するための隙間２２ａが形成されている。図１に示すように、ボビン２１の両端には、端末部材２９が取り付けられ、両端にあるコイル２２の側面が端末部材２９に当接している。

冷却部材２５は、熱伝達部材２６と放熱部材２７とから構成され、熱伝導性の高いアルミニウムや銅等の金属で構成されている。熱伝達部材２６は、ボビン２１（固定子１０）の軸線方向において隣接するコイル２２の間に配設されている。熱伝達部材２６は、内部が中空であり、その内部に作動液及び網目状のウイックが封入されたヒートパイプである。図３に示すように、熱伝達部材２６は、コイル２２の側周面のほぼ半周と接触する集熱部２６ａと、この集熱部２６ａの一端からコイル２２の中心から遠ざかる向き（外側）に延出する放熱部２６ｂとから構成されている。集熱部２６ａは、コイル２２の周面の幅よりも小さい幅の円弧状であり、コイル２２の径方向に扁平であり、コイル２２の側面と接触している。図３に示すように、放熱部２６ｂは集熱部２６ａの上方（上方乃至上端と水平位置を含む）に位置している。なお、冷却部材２５は、磁気的な悪影響を及ぼさないように、非磁性体で構成されていることが好ましい。

なお、可動子２０の製造時において、集熱部２６ａを隣接するコイル２２の間に配設後に、両端のコイル２２が互いに近接する方向に（圧縮方向に）、両端のコイル２２に荷重をかけることにより、コイル２２を集熱部２６ａに密着させている。そして、この状態で、コイル２２同士の隙間やコイル２２と集熱部２６ａとの隙間に、熱硬化性樹脂を充填し、この熱硬化樹脂を熱硬化させることにより、コイル２２から集熱部２６ａへの熱伝導性を向上させるとともに、各コイル２２を強固にボビン２１に固定させている。

図１〜図４に示すように、放熱部２６ｂには、放熱部材２７が取り付けられている。本実施形態では、放熱部材２７は、放熱部２６ｂと接続する多数のフィン２７ａを備えている。放熱部材２７の端部には、ファン２８が設けられ、放熱部材２７は図示しないダクトで覆われている。ファン２８によって放熱部材２７の内部に空気が送風されて放熱部材２７が冷却される。

図３に示すように、コイル２２の外周面に覆い被さるように、電磁鋼板等の磁性材料で構成されたヨーク２３が取り付けられている。このヨーク２３により、永久磁石１１が発する磁力線の向きをコイル２２に流れる電流の方向に対して直交する方向に変化させて、コイル２２に作用する推力を増大させている。なお、ヨーク２３は、必ずしも必須では無い。

複数のコイル２２は、順番に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相…とされている。それぞれの相のコイル２２に、それぞれ電気角で１２０°毎に位相がずれた交流電流を流すと、永久磁石１１の磁力とコイル２２の磁力との相互作用により、可動子２０に推力が発生し、可動子２０が固定子１０に対して移動する。この際に、コイル２２が発熱するが、上述のように、コイル２２で発生した熱は、冷却部材２５によって放熱される。

（比較例として従来のリニアモータの説明）
以下に図５を用いて、比較例として従来のリニアモータについて、本実施形態のリニアモータ１００と異なる点について説明する。なお、従来のリニアモータにおいて、本実施形態のリニアモータ１００と同じ構造の部分については、同じ番号を付して、その説明を省略する。

図５の（Ａ）に示すように、従来のリニアモータでは、コイル２２の外周面に沿うように接触する熱伝達部材１２６が設けられている。しかし、各コイル２２の外周面の形状は、各コイル２２によって一致せず、また、各コイル２２の外周面の曲率半径と、熱伝達部材１２６の内周面の曲率半径が一致しないことから、コイル２２の外周面と熱伝達部材１２６の内周面との間に隙間１５０が開いてしまう。このため、コイル２２から熱伝達部材１２６への熱伝達が十分で無い。

また、図５の（Ｂ）に示すように、従来では、コイル２２の外周面のみに熱伝達部材１２６が接触する構造であるので、例え、熱伝達部材１２６がコイル２２の外周面に接触したとしても、コイル２２から放熱部材への熱伝導が十分では無い。

（本実施形態のリニアモータの効果の説明）
以上詳細に説明したように、本実施形態のリニアモータ１００によれば、図３や図４に示すように、隣接するコイル２２の間に、コイル２２の側周面に沿うように熱伝達部材２６を設けた。これにより、図４に示すように、コイル２２の側周面と熱伝達部材２６が曲面で無く平面で接触するので、コイル２２の側周面と熱伝達部材２６が確実に接触する。このため、コイル２２で発生した熱が確実に熱伝達部材２６に伝熱し、コイル２２で発生した熱を、熱伝達部材２６を介して確実に放熱させることができ、リニアモータ１００の冷却性能を向上させることが可能となる。また、コイル２２の側周面の両側に熱伝達部材２６が接触するので、従来と比べて、コイル２２で発生した熱をより多く熱伝達部材２６に伝熱させることができる。また、可動子２０の製造時において、集熱部２６ａを隣接するコイル２２の間に配設後に、両端のコイル２２が互いに近接する方向に（圧縮方向に）、両端のコイル２２に荷重をかけることにより、コイル２２を集熱部２６ａに確実に密着させることができ、コイル２２で発生した熱を確実に熱伝達部材２６に伝熱させることができる。

また、図５の示すように、従来の熱伝達部材１２６は、コイル２２の外周面に沿うように接触している。一方で、本実施形態では、図４に示すように、熱伝達部材２６は、隣接するコイル２２間の隙間２２ａに配設されている。これにより、熱伝達部材１２６の厚さ分だけ、コイル２２の巻数を増やすことができ、コイル２２が発生する磁力を向上させることができる。このため、可動子２０の固定子１０に対する移動速度を高めることができる。

また、図２〜図４に示すように、熱伝達部材２６は、コイル２２の径方向に扁平な集熱部２６ａと、集熱部２６ａと接続しコイル２２から離れる方向に突出する放熱部２６ｂとから構成されたヒートパイプであり、放熱部２６ｂに放熱部材２７が設けられている。これにより、コイル２２の側周面と接触する集熱部２６ａ内の作動液が蒸発して潜熱を吸収し、蒸発した作動液が放熱部２６ｂに移動すると放熱部材２７によって冷却されて、作動液が凝集して潜熱を放出する。このため、コイル２２で発生した熱を効率良く放熱部材２７で放熱させることができる。なお、上述のように、両端のコイル２２に荷重をかけて、コイル２２を集熱部２６ａに密着させたとしても、ヒートパイプである熱伝達部材２６は、平面であるコイル２２の側周面によって押圧されるので、ヒートパイプに均一に荷重が加わり、ヒートパイプが潰れにくい。

また、図３に示すように、放熱部２６ｂは、集熱部２６ａの上部に位置している。これにより、集熱部２６ａで蒸発した作動液が、確実に放熱部２６ｂに移動し、また、放熱部２６ｂにおいて凝集した作動液がその自重により確実に集熱部２６ａに戻る。このため、作動液が集熱部２６ａと放熱部２６ｂ間において蒸発と凝集を繰り返して確実に循環するので、コイル２２で発生した熱を確実に放熱部材２７で放熱させることができる。

また、図４に示すように、コイル２２の巻始め線又は巻き終わり線をコイル２２の外部に出線するために、隣接するコイル２２間に形成された隙間２２ａに、集熱部２６ａ（熱伝達部材）が配設されている。これにより、従来からある隣接するコイル２２間の隙間２２ａに、集熱部２６ａを配設することにより、可動子２０の大型化を防止しつつ、コイル２２の冷却性能を高めることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、磁力を発生させる磁力発生部材として永久磁石１１を用いているが、磁力発生部材として電磁石を用いても差し支え無い。また、以上説明した実施形態では、ボビン２１及びコイル２２は、円筒形状であるが、角筒形状であっても差し支え無い。この実施形態の場合であっても、集熱部２６ａは、コイル２２の側面を沿うように形成され、コイル２２の側面と当接する。また、コイル２２の側周面のほぼ全周と接触する集熱部２６ａであっても差し支え無い。

また、以上説明した実施形態では、固定子１０は、円筒形状のパイプ１２と、このパイプ１２の内部に収納された円柱形状の複数の永久磁石１１とから構成されている。しかし、固定子１０は、一直線状に連ねて設けられた複数のリング状の永久磁石と、これら複数のリング状の永久磁石を貫通する円柱形状のロッドとから構成されたものであっても差し支え無い。この実施形態の永久磁石は、その外周側がＮ極とされるとともにその内周側がＳ極とされたものと、その外周側がＳ極とされるとともにその内周側がＮ極とされたものが、磁極が交互に変わるように一直線状に連ねて設けられている。そして、隣接する永久磁石間には、非磁性体で構成されたスペーサが挟み込まれている。

また、図６に示すように、冷却部材２５をコイル２２の両側に設け、リニアモータ２００冷却性能を更に向上させても差し支え無い。また、図７に示すように、ファン２８を放熱部材２７（ボビン２１）の長手方向に沿って、放熱部材２７の下方又は上方に複数に設け、リニアモータ３００の冷却性能を更に向上させても差し支え無い。

また、本実施形態のリニアモータ１００は、電子部品実装装置の装着ヘッドを移動させる移動装置以外にも、工作機械や移送機器等の移動装置にも用いることができることは言うまでもない。

１０…固定子、１１…永久磁石（磁力発生部材）、２０…可動子、２１…ボビン、２２…コイル、２２ａ…隙間、２６…熱伝達部材、２６ａ…集熱部、２６ｂ…放熱部、２７…放熱部材、１００、２００、３００…リニアモータ

Claims

連ねて設けられた複数の磁力発生部材を有する固定子と、
前記固定子の外側に巻回され、前記固定子の軸線方向に連ねて設けられた複数のコイルを有する可動子と、から構成されたリニアモータであって、
隣接する前記コイルの間に、前記コイルの側面に沿うように、前記コイルの発熱を放熱させるための熱伝達部材を設け、
前記熱伝達部材は、集熱部と、前記集熱部と接続し前記コイルから離れる方向に突出する放熱部とから構成されたヒートパイプであり、
前記集熱部は、前記コイルの径方向に扁平な平面を有するとともに、前記コイルの周方向に沿って曲がった形状であり、前記平面においてコイルの側面と接触するリニアモータ。
請求項１において、
前記放熱部は、前記集熱部の上方に位置しているリニアモータ。
請求項１又は請求項２において、
前記コイルの巻始め線又は巻き終わり線を前記コイルの外部に出線するために、隣接する前記コイル間に形成された隙間に、前記熱伝達部材が配設されているリニアモータ。