JPH1198808A - 固定子およびリニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リニアモータのコイルからの発熱を、モータ
の推力低下やモータの断面積の増大を最小限に抑えなが
ら十分に除去する。 【解決手段】 電機子コイルに設けた空心部に熱伝導率
１０Ｗ／ｍ°Ｋ以上で電気抵抗率１０⁶Ω・cm以上の非磁
性材料からなり電機子コイルと略同一厚さ寸法のコアを
電機子コイルおよび長尺支持部材と密着させて設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石と電機子コ
イル（多相コイル）とを相対的に移動させる方式の搬送
用リニアモータにおいて、電機子コイルの冷却手段に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より相隣る磁極が相互に異なるよう
に着磁され、かつ異なる磁極の極性が対向するように磁
気空隙を介してヨークに固着配置された複数個の永久磁
石と、この磁気空隙内に設けられた多相コイルとを有
し、前記多相コイルに駆動電流を流すことにより、前記
永久磁石と前記多相コイルとを相対的に移動させるよう
に構成したリニアモータは周知である。

【０００３】この方式のリニアモータにおいては前述の
如く多相コイルに駆動電流を流すことにより可動子に推
力を付与する構成が多用されているが、多相コイルへの
通電によりコイルが発熱する。コイルが発熱すると狭い
磁気空隙を介して配置されている永久磁石にもコイルか
らの熱が伝達されて永久磁石の温度が上昇し、熱減磁に
より永久磁石からの発生磁束が減少するためリニアモー
タの推力が減少する。また、コイルの発熱によりコイル
自体の電気抵抗が上昇しジュール熱損失を増大させる結
果、実効電力が減少することとなる。このためコイルの
発熱が実用上問題にならない程度に収まるようコイルに
対する供給電力は制限せざるを得ずその結果リニアモー
タの推力が制限される。また、コイルの発熱により雰囲
気温度が上昇しリニアガイドが熱変形し位置決め精度が
低下する場合もある。

【０００４】そしてこの問題を解決する手段として空冷
方式や水冷方式によるコイルの冷却手段がとられてい
る。空冷方式では例えば可動マグネット型リニア直流モ
ータにおいて界磁マグネットの磁路を閉じるためのヨー
クの一部を除去し界磁マグネットの配置されていないヨ
ーク部に透孔を形成せしめ、透孔を介してステータ電機
子側に冷風を送るための冷却ファンを配設する方法（特
開平６−１６５４７２号）がある。また、例えば特開平
６−１６５４７４号には可動マグネット型直流リニアモ
ータにおいて界磁マグネットおよびヨークからなる可動
子を分割し、この分割した可動子間にコアレスステータ
電機子側に送風する冷却ファンを配設する方法が記載さ
れている。水冷方式では例えば実開平６−４１３８１号
にはコイルを冷媒により直接冷却するリニアモータが記
載されている。これは冷媒供給口と冷媒排出口を設けた
気密な容器内にコイルを収納し水などの冷媒を供給して
コイルを直接冷却し、排出して放熱器で放熱した冷媒を
再び容器に戻すというものである。また、水冷方式には
コイルを間接的に冷媒で冷却する方法もある。例えば矩
形で空心のあるコイルを平面状、かつはしご状に配置し
た電機子の幅方向の両端部に長尺支持部材を設け、この
長尺部材中に冷媒を流す方法である。この方法はコイル
から伝熱により長尺支持部材に伝わった熱を冷媒で除去
するものでコイルを間接的に水冷するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】リニアモータの内部は
必ずしも空気が流れやすい構造にはなっていないため空
冷方式では十分かつ均一な冷却ができない場合がある。
また冷却ファンの設置スペースが必要になるので小型化
にも不利である。容器内にコイルを収納し冷媒を供給し
てコイルを直接冷却する方法はコイルの冷却は十分にで
きるが、容器の外に界磁マグネットを設置することから
コイルと界磁マグネットとを十分に接近させることがで
きない。その結果リニアモータの推力が制限されてしま
う。また、冷媒がコイルに接触することから冷媒に水を
使うと錆の問題があり、油を使うと防爆の点で問題があ
るため冷媒の選定が難しい。コイルを間接的に冷媒で冷
却する水冷方式は冷却面積が十分にとれないことやコイ
ルの冷却速度がコイルの伝熱速度、前述の電機子に設け
た長尺支持部材の伝熱速度およびコイルと長尺支持部材
との接触面の伝熱速度に律速されるためコイルの冷却が
十分にできないことがある。

【０００６】本発明の目的は上記の従来技術に存在する
問題点を解決し推力が十分に得られ、かつコイルの冷却
も十分に行えるリニアモータを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】磁気空隙を形成する界磁
マグネットを備えた移動子と、移動子の移動経路に沿っ
て配置された電機子コイル群とを具備し、移動子は磁気
空隙内に電機子コイル群の一部または全てを保持する構
成のリニアモータにおいて、移動子の移動経路に沿って
配置された電機子コイル群と該電機子コイル群に密着し
て設け冷媒を流す流路を有する長尺支持部材とを有し、
かつ該電機子コイル群をなす各電機子コイルに設けた空
心部に熱伝導率１０Ｗ／ｍ°Ｋ以上で電気抵抗率１０⁶
Ω・cm以上の非磁性材料からなり前記電機子コイルと略
同一厚さ寸法のコアを前記電機子コイルおよび前記長尺
支持部材と密着させて設けた固定子を用いることが上記
目的を達成するために有効であることを発明者は見出し
た。

【０００８】本発明は電機子コイルに設けた空心部をコ
イル冷却のためのスペースとして利用する点に最も特徴
がある。固定子の電機子コイル群は空心部を有するよう
に導線を多数巻回して形成した複数の電機子コイルから
なるもので、電機子コイルおよびその空心部は一般的に
は矩形形状である。コイルは後述するコアに巻いても、
空心部の形状がコア形状に略一致するようにしてコイル
だけ別に巻いて後でコアを空心部に嵌入してもよい。コ
イルは巻線がばらけないように予め樹脂を塗布した導線
を用い巻線後に加熱して固めるか樹脂を含浸させて固め
る。電機子コイルは移動子が移動する経路に沿って配置
し、矩形形状であるである場合電機子コイル群ははしご
状の形状となる。隣り合う電機子コイルは重なり合わな
いように密着させて、または隙間をもたせて配置する。
またコイルの一部が重なり合うように配置することもで
きる。本発明においては前者の配置が適している。全て
の電機子コイルは移動する移動子と干渉しない箇所にお
いて後述する長尺支持部材に固定される。電機子コイル
と長尺支持部材とはコイルで発生した熱を長尺支持部材
に効率よく伝えるためにその接触面において密着してい
ることが必要であり、固定の際はコイルの形状とできる
だけ一致させた凹部を長尺支持部材に設け接着固定また
は凹部をねじ等により締め付けてコイルを摩擦力で固定
する。冷却速度が高まるようコイルと長尺支持部材との
接触面積はできるだけ大きくとる。

【０００９】次にコアについて説明する。コアには高
熱伝導率、高電気抵抗率、非磁性であることが必要
である。電機子コイルの空心部に設けるコアはコイルで
発生した熱をコイルとの接触面から伝熱により受け取り
後述する長尺支持部材に渡すことでコイルを冷却する。
そのためにはコアと長尺支持部材とは接触していること
が必要であり、受け取った熱を長尺支持部材に効率よく
渡すには接触面積が大きくかつ密着していることが好ま
しい。コア材料の熱伝導率は高いほどよい。熱伝導率が
低いとコイルの冷却が不十分になりコイルの温度が高く
なる。その結果前述のリニアモータの推力の減少や位置
決め精度が低下するという不具合が生じる。コア材料の
熱伝導率は具体的には２５℃において１０Ｗ／ｍ°Ｋ以
上であることが好ましい。また、コイルで発生した熱を
コアに効率よく伝えるためにコアとコイルとが接触面で
密着していることも必要であり、コアの接触面に伝熱性
および耐熱性の高い接着剤を塗布しておくとよい。

【００１０】移動子が移動すると界磁マグネットとの相
対的な移動に伴ってコア材料が磁束を横切ったときにコ
ア材料に発生する渦電流を抑える目的でコア材料の電気
抵抗率は高いほどよい。コア材料に渦電流が発生すると
リニアモータの推力の減少や熱が発生するという不具合
が生じる。コア材料の電気抵抗率は具体的には２５℃に
おいて１０⁶Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。

【００１１】本発明においてコアは非磁性材料であるこ
とが好ましい。磁気空隙を形成する界磁マグネットとコ
アとの磁気的な吸引力の発生を防止することによって、
リニアモータの推力リップルを抑えるためである。

【００１２】本発明ではコア材料として、例えばＢＮ
（好ましくは六方晶窒化ホウ素），ＡｌＮ，ＴｉＮ，Ｓ
ｉ₃Ｎ₄，サイアロン等の公知の窒化物、およびＢ₂Ｏ₃，
ＭｇＯ，ＭｎＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＺｎＯ，Ｔｉ
Ｏ₂，ＺｒＯ₂，ＳｎＯ₂，ＣｅＯ₂，ＢａＯ，ＢｅＯ，Ｃ
ａＯ，Ｋ₂Ｏ等の公知の酸化物、およびＳｉＣ，Ｔｉ
Ｃ，ＺｒＣ，ＴａＣ，Ｂ₄Ｃ，ＷＣ，Ｗ₂Ｃ等の公知の炭
化物、および２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂，ＭｇＯ・ＳｉＯ₂，Ｃ
ａＯ・ＳｉＯ₃，ＺｒＯ₂・ＳｉＯ₂，３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓ
ｉＯ₂，２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂，Ｌｉ₂Ｏ・
２Ａｌ₂Ｏ₃・４ＳｉＯ₂等の公知のケイ酸塩、およびＡ
ｌ₂ＴｉＯ₅，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄，Ｃａ₁₀（ＰＯ₄）₆（ＯＨ）
₂，ＢａＴｉＯ₃，Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃，（Ｐｂ，Ｌ
ａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃，ＬｉＮｂＯ₃等の複酸化物、お
よびＡｌＮとＢＮの複合焼結体のうちの一種又は二種以
上を使用できる。そしてこれらのうちＡｌＮとＢＮの複
合焼結体、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＢＮ（好ましくは六方晶
窒化ホウ素）が好ましく、特にＡｌＮとＢＮの複合焼結
体が特に好ましい。コアは電機子コイルで発生した熱を
効率よく除去するために電機子コイルおよび長尺支持部
材と密着させなければならないが、そのためにはコアは
高い寸法精度を有していなければならない。ＡｌＮとＢ
Ｎの複合焼結体はビッカース硬度３９０程度であるため
機械加工がしやすく高い寸法精度を容易に得られるので
ある。

【００１３】本発明で使用するＡｌＮとＢＮの複合焼結
体の組成は、窒化アルミニウム５０〜９７重量％、およ
び窒化ホウ素３〜５０重量％（好ましくは５〜３５重量
％）、および周期律表IIａとIIIａ族金属より選ばれた
少なくとも１種の金属化合物を窒化アルミニウムと窒化
ホウ素の混合物に対して０．０１〜１０重量％（好まし
くは０．０５〜５重量％）の範囲で含むように選択すれ
ばよい。周期律表IIａ族からなる金属としてはＢｅ，Ｃ
ａ，Ｓｒ，Ｂａ等が好適である。また周期律表IIIａ族
からなる金属としてはＹまたはランタン族金属が好適に
使用され、より具体的に挙げればＹ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐ
ｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等、特にＹ，Ｌａ，Ｃｅ，
Ｎｄ等が好適である。これらの周期律表IIａまたはIII
ａ族よりなる金属化合物は特に限定されず窒化アルミニ
ウム粉末および／又は窒化ホウ素粉末の焼結助剤として
公知の前記金属化合物が使用できる。一般には例えば、
硝酸塩、炭酸塩、塩化物、酸化物等の化合物が好適に使
用される。上記金属化合物の硝酸塩を用いる場合には酸
素含有ガス雰囲気の加熱によって亜硝酸塩になるが、炭
酸塩、塩化物は酸化物となる。また、周期律表IIａとII
Iａ族金属より選ばれた少なくとも１種の金属化合物の
使用量はこの焼結助剤を酸化物に換算して前記複合焼結
体中に０．０１〜０．０５重量％、好ましくは０．０５
〜４重量％となる範囲から選べばよい。これらの添加量
は前記複合焼結体中の酸素含有量、不純物の含有量ある
いは前記複合焼結体に要求される物性等を考慮して適宜
選択すればよい。そして本発明で使用するＡｌＮとＢＮ
の複合焼結体は上述の周期律表IIａとIIIａ族金属より
選ばれた少なくとも１種の金属化合物を不可避不純物に
含めると、Ｃａが４５０ｐｐｍ，Ｃｒが６０ｐｐｍ，Ｍ
ｇが１５ｐｐｍ，Ｎｉが５ｐｐｍ未満，Ｆｅが２０ｐｐ
ｍ，Ｓｉが１５ｐｐｍ未満，Ｏが０．５重量％程度の不
可避不純物を含有する。

【００１４】次に電機子コイル群に密着して設けた冷媒
を流す流路を有する長尺支持部材につて説明する。長尺
支持部材はコイル及びコアから受け取った熱を冷媒によ
り系外に運び出すと共に、電機子コイル群を固定するフ
レームの役割もしている。冷媒を流す流路は伝熱面積を
大きくとるためにその断面積は大きくすることが好まし
く、かつ長尺支持部材断面においてバランスよく配する
ことが好ましい。冷媒はコイルと直接接触しないことか
ら水や油等を自由に選定できる。冷媒は系外の放熱器で
放熱されたのち再び容器に戻して繰り返し使用すること
ができる。また、冷媒に水等を用いる場合はワンパスで
使い捨てることも可能でありこの場合は系外の放熱器は
不要である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図により説
明する。図１（ａ）は本発明による可動マグネット型の
リニアモータの一実施例を示す要部断面図であり、図１
（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である（水平
ヨーク７ｂは図示せず）。図１（ａ）に示すように界磁
マグネット６は異なる磁極が対向するように配置され、
一対の垂直ヨーク７ａ（強磁性体であるＳＳ４１製）に
エポキシ系接着剤を用いて固着されている。強磁性体で
ある一対の垂直ヨーク７ａと水平ヨーク７ｂによりヨー
ク７を形成し界磁マグネット６とともに移動子８を形成
する。界磁マグネット６は移動子の移動方向においても
配置され、隣り合う界磁マグネットは互いに逆極性とし
てある。強磁性体である垂直ヨーク７ａに固着された界
磁マグネット６は隣り合う界磁マグネットと磁気回路を
形成し、対向する界磁マグネット６との間に磁気空隙を
形成する。空心部にコア２を接着固定した電機子コイル
１を更に長尺支持部材３に接着固定して固定子５を形成
する。前記の磁気空隙に電機子コイル１が位置するよう
に移動子８は界磁マグネット６が電機子コイル１にでき
るだけ接近するよう配置する。移動子８はガイド機構
（図示せず）により移動自在に支持される。

【００１６】ここで、界磁マグネット６は日立金属社製
のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系異方性焼結磁石であり、この表面に
はＮｉメッキ、電着エポキシ塗装等の処理が付与されて
いる。電機子コイル１はＣｕ合金製の導線を絶縁体で被
覆し更に融着用樹脂で被覆したものを加熱して導線どう
しを融着した。コア２はＡｌＮとＢＮの複合焼結体（ト
クヤマ社製シェイパルＭｓｏｆｔ）からなり主成分はＡ
ｌＮ６５重量％とＢＮ３５重量％の組成である。この複
合焼結体の焼結に際し周期律表IIａとIIIａ族金属より
選ばれた少なくとも１種の金属化合物として、ＡｌＮと
ＢＮのの混合物１００重量部に対して硝酸カルシウム四
水塩８．４重量部が焼結助剤として添加されている。ま
たこの複合焼結体にはＣａが４５０ｐｐｍ，Ｃｒが６０
ｐｐｍ，Ｍｇが１５ｐｐｍ，Ｎｉが５ｐｐｍ未満，Ｆｅ
が２０ｐｐｍ，Ｓｉが１５ｐｐｍ未満，Ｏが０．５重量
％不可避不純物として含有されている。コア２にこの組
成のＡｌＮとＢＮの複合焼結体シェイパルＭｓｏｆｔを
用いたものを実施例１とした。実施例２ではα−Ａｌ₂
Ｏ₃を用いた。比較例１ではエポキシ樹脂を、比較例２
ではアルミニウムを用い、比較例３ではコアを用いなか
った。これらの材料の特性を表１に示す。

【００１７】電機子コイル１とコア２との接着および電
機子コイル１と長尺支持部材３との接着にはエポキシ系
接着剤を使用した。このときコア２も長尺支持部材３に
同様にして接着した。

【００１８】長尺支持部材３は磁気空隙に影響を与えな
いようアルミニウムやアルミニウム合金などの非磁性体
であることが好ましく、ここではアルミニウム合金製と
した。長尺支持部材３には長手方向に冷媒の流路４を形
成し各流路はつないで一本の流路とした。流路には冷媒
として室温（２５℃）の水をワンパスで流し続けた。長
尺支持部材３は押出成形、鋳造等により成形できそのと
き流路４も同時に形成する。押出成形する場合は各部分
の肉厚がほぼ均一になるようにすることが必要である。

【００１９】表２に各実施例および比較例のコイル温度
上昇の実験値を示す。ここでは、コイルには直流電流１
Ａを連続通電し、支持部材の流路には１リットル／分の
流量の２５℃の水を流した。コイル温度はコイル全体の
平均温度でコイルの温度と電気抵抗の関係を利用した電
気抵抗法によって測定した。コイル表面温度は表面温度
計によって測定した。コイル温度とコイル表面温度は何
れも定常状態に達したときの値である。この結果を見る
とコアとしてアルミニウムを用いた比較例２が最も低い
コイル温度を示すが前述したように渦電流損等の影響で
実際のモータへの適用は困難である。エポキシ樹脂（比
較例１）はコア無し（比較例３）に比較してコイル温度
については多少の温度低減効果はあるものの、コイル表
面温度はほとんど変化がない。本発明に基づく実施例１
および２では大幅なコイル温度低減を示している。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば電機子コイル空心部に特
定の材料からなるコアを設けるので、電機子コイルから
の発熱を効率よく長尺支持部材に伝えることができると
ともに、リニアモータの推力発生に悪影響を与えること
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明によるリニアモータの一実施例
を示す要部断面図、（ｂ）は（ａ）の水平ヨーク７ｂを
除くＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１ 電機子コイル、２ コア、３ 長尺支持部材、４
流路、５ 固定子 ６ 界磁マグネット、７ ヨーク、７ａ 垂直ヨーク、
７ｂ 水平ヨーク ８ 移動子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動子の移動経路に沿って配置された電
   機子コイル群と該電機子コイル群に密着して設け冷媒を
   流す流路を有する長尺支持部材とを有し、かつ該電機子
   コイル群をなす各電機子コイルに設けた空心部に熱伝導
   率１０Ｗ／ｍ°Ｋ以上で電気抵抗率１０⁶Ω・cm以上の非
   磁性材料からなり前記電機子コイルと略同一厚さ寸法の
   コアを前記電機子コイルおよび前記長尺支持部材と密着
   させて設けたことを特徴とする固定子。
2. 【請求項２】 磁気空隙を形成する界磁マグネットを備
   えた移動子と請求項１記載の固定子とを有し、移動子は
   磁気空隙内に前記電機子コイル群の一部または全てを保
   持する構成であることを特徴とするリニアモータ。