WO2010047129A1 - 冷却装置を有するリニアモータコイル組立体 - Google Patents

冷却装置を有するリニアモータコイル組立体 Download PDF

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越元寛
田嶌知
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Definitions

  • the present invention relates to a linear motor that generates linear movement.
  • the present invention relates to a linear motor coil assembly including armature coils arranged in a linear movement direction and a device for cooling the armature coils.
  • linear motors that position a precision table with high accuracy are known.
  • the linear motor requires a large thrust and is often sealed by a cover that prevents dust from entering. For this reason, it is important to cool the linear motor efficiently.
  • Patent Document 1 discloses a linear motor including two rows of coils and four flat cooling pipes. These flat cooling tubes are in contact with two of the four surfaces of each coil.
  • Patent Document 2 discloses a linear motor provided with one flat cooling pipe extending around two rows of coils. The flat cooling tube is in contact with two of the four surfaces of each coil.
  • Patent Document 3 discloses a linear motor coil assembly including a flat cooling pipe meandering in a row of coils.
  • the iron core on which the coil is formed is fixed to the base plate.
  • the width of the flat cooling pipe is equal to or greater than the axial length of the coil. Most of the surface of each coil is in contact with the flat cooling tube.
  • an object of the present invention is to provide a linear motor that effectively reduces adverse effects of heat on the positioning accuracy of a precision table with a simple configuration.
  • the present invention relates to a base plate (1), a row of iron cores (42) fixed in the longitudinal direction on the upper surface of the base plate, a plurality of coils (44) respectively provided on the iron core (42), and a plurality of coils (44 And a first cooling pipe (50) through which a first refrigerant is passed and a lower surface of a base plate can be attached to a table.
  • the base plate (1) has a groove (8) extending linearly in the longitudinal direction on the lower surface of the base plate, and the linear motor coil assembly is provided in the groove (8) and a second cooling pipe through which a second refrigerant passes. (92, 94).
  • the first cooling pipe (50) includes a flat cooling pipe meandering through the plurality of coils (44), and the second cooling pipe (92, 94) includes a straight flat cooling pipe.
  • the linear motor coil assembly according to 1.
  • the heat generated from the coil is removed from the coil assembly by the first refrigerant. Further, the heat remaining in the coil is transferred to the second cooling pipe via the iron core and the base plate, and the second refrigerant in the second cooling pipe removes the heat from the base plate. Further, the temperature of the precision table is kept constant without applying any processing to the precision table.
  • the coil assembly includes a base plate 1 and a plurality of iron cores 42.
  • a linear motor that generates movement in the X-axis direction includes a mover and a stator, and the coil assembly constitutes one of the mover and the stator.
  • the iron core 42 is formed of laminated silicon steel plates and is divided for each magnetic pole. A plurality of coils 44 are formed on each iron core 42. As well shown in FIG. 1, the iron cores 42 are attached to the upper surface of the base plate 1 in a row in the X-axis direction by screws 48. A hole 46 for a screw 48 is formed in the base plate 1. A hole 43 for the screw 48 is formed in the iron core 42.
  • the flat cooling pipe 50 is arranged to meander through the coil 44.
  • the flat cooling pipe 50 is made by extrusion molding of aluminum.
  • the height of the flat cooling pipe 50 is equal to or slightly larger than the height of the coil 44.
  • the flat cooling pipe 50 contacts most of the outer surface of the coil 44 that is a heat source. A large number of through holes through which the refrigerant flows are formed in the flat cooling pipe 50. Since the flat cooling pipe 50 does not have a branch, no stagnation occurs in the flow of the refrigerant. The heat generated in the coil 44 is immediately cooled by the refrigerant in the flat cooling pipe 50.
  • a pair of manifolds 56 and 58 are fixed side by side at one end of the base plate 1.
  • One end of the flat cooling pipe 50 is connected to the manifold 56 and the other end is connected to 58 by welding.
  • the refrigerant is introduced into the manifold 56 from a supply source.
  • the refrigerant passing through the meandering flat cooling pipe 50 passes through a number of coils from one end of the base plate 1 to the other end, that is, from left to right in the drawing. Finally, the refrigerant is fed linearly from the other end of the base plate 1 to the manifold 58 and immediately discharged out of the coil assembly.
  • FIGS. A commutation sensor 5 is provided in the coil assembly between the manifolds 56 and 58.
  • Reference numerals 4, 5 and 6 in the figure indicate a coil harness, a commutation sensor harness, and a temperature sensor harness, respectively.
  • the lower surface of the base plate 1 can be joined to a precision table in a machine tool or a semiconductor manufacturing apparatus.
  • a number of screw holes 82 for attaching the base plate 1 to the precision table are formed along the opposite side surfaces of the base plate 1.
  • a straight groove 8 is formed on the lower surface of the base plate 1 over its entire length.
  • a silicon thin film having good thermal conductivity is formed in the groove 8.
  • the additional cooling device has a pair of flat cooling tubes 92, 94 provided in the groove 8.
  • the additional cooling device further includes a pair of manifolds 96,98.
  • the flat cooling pipes 92 and 94 extend in parallel between the pair of manifolds 96 and 98.
  • the flat cooling tubes 92 and 94 are made of an aluminum alloy. Both ends of the flat cooling pipes 92 and 94 are fixed to the manifolds 96 and 98 by aluminum brazing.
  • the flat cooling pipes 92 and 94 have a thickness of about 3 mm.
  • the flat cooling pipes 92 and 94 extend linearly in the groove 8, the difference in refrigerant temperature is minimized in the flat cooling pipes 92 and 94.
  • the flat cooling pipes 92 and 94 are designed to fit into the groove 8. Instead of the pair of flat cooling pipes 92 and 94, one or three or more flat cooling pipes may be fitted in the groove 8. However, from the viewpoint of the strength and manufacturing efficiency of the aluminum flat cooling pipe, a pair of flat cooling pipes 92 and 94 were selected in this embodiment.
  • FIGS. A coil assembly provided with an additional cooling device is shown in FIGS.
  • a manifold 96 for introducing the refrigerant is attached to one end of the base plate 1 by a fixture 30.
  • a manifold 98 for discharging the refrigerant is attached to the other end of the base plate 1 by a fixture 30.
  • the fixture 30 has a U-shape, and includes flange portions 34 and 36 parallel to the body portion 32.
  • the barrel 32 has approximately the same length as the manifolds 92,96.
  • the fixtures 30 are attached to both ends of the base plate 1 by their body portions 32.
  • Manifolds 92 and 96 are then attached to fixture 30 by hooks 34 and 36.
  • a first refrigerant is introduced into the manifold 56 from a supply source.
  • a second refrigerant is introduced into manifold 96 from the same or another source.
  • the heat generated from the coil 44 is removed from the coil assembly by the first refrigerant.
  • the heat remaining in the coil 44 is transferred to the flat cooling tubes 92 and 94 via the iron core 42, the base plate 1 and the silicon thin film.
  • the second refrigerant in the flat cooling tubes 92 and 94 removes heat from the base plate 1 and maintains the temperature of the precision table constant.
  • the refrigerant is immediately discharged from the manifold 98 out of the coil assembly.

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Abstract

発明は、ベースプレート（１）と、ベースプレートの上面に長手方向に固定された一列の鉄心と、鉄心にそれぞれ設けられた複数のコイルと、複数のコイルに接触し第１の冷媒を通す第１の冷却管とを含むリニアモータコイル組立体に関する。ベースプレートの下面は、工作機械、半導体製造装置における精密テーブルに取付け可能になっている。ベースプレートの下面に長手方向に直線的に延びる溝（８）が形成されている。その溝の中に設けられ第２の冷媒を通す第２の冷却管（９２、９４）が付加的にリニアモータコイル組立体に設けられる。

Description

冷却装置を有するリニアモータコイル組立体
本発明は直線的な移動を発生するリニアモータに関する。特に、本発明は直線的な移動の方向に並べられた電機子コイルと、電機子コイルを冷却する装置を備えたリニアモータコイル組立体に関する。
工作機械や半導体製造装置の分野で、精密テーブルを高精度に位置決めするリニアモータが知られている。そのリニアモータは大きな推力を必要とし、多くの場合、粉塵の侵入を防止するカバーによって密閉されている。このため、リニアモータを効率的に冷却することが重要となる。
冷媒が通る冷却管を発熱源である電機子コイルに接近又は接触させたリニアモータが知られている。特許文献１は、２列のコイルと４本の扁平冷却管とを備えたリニアモータを開示している。それら扁平冷却管は各コイルの４面のうち２面に接触している。特許文献２は、２列のコイルの周囲を延びる１本の扁平冷却管を備えたリニアモータを開示している。その扁平冷却管は各コイルの４面のうち２面に接触している。
特許文献３は、一列のコイルの中を蛇行する扁平冷却管を含むリニアモータコイル組立体を開示している。コイルが形成された鉄心はベースプレートに固定されている。扁平冷却管の幅はコイルの軸方向の長さと同等以上である。各コイルの表面のほとんどは、扁平冷却管に接触している。
特許３８５６０５７号公報 特開２０００－２２８８６０号公報 特許３６４３２７３号公報
しかしながら、コイルの側面の一部は扁平冷却管と接触していない。したがって、残留した熱が鉄心およびベースプレートを通って精密テーブルへ伝えられ、精密テーブルの位置決め精度に悪影響を与えるかもしれない。
本発明の目的は、上記事情に鑑み、簡単な構成により、熱が精密テーブルの位置決め精度に与える悪影響を効果的に低減するリニアモータを提供することである。
本発明は、ベースプレート（１）と、ベースプレートの上面に長手方向に固定された一列の鉄心（４２）と、鉄心（４２）にそれぞれ設けられた複数のコイル（４４）と、複数のコイル（４４）に接触し第１の冷媒を通す第１の冷却管（５０）とを含む、ベースプレートの下面をテーブルに取付け可能なリニアモータコイル組立体に関する。
ベースプレート（１）はベースプレートの下面に長手方向に直線的に延びる溝（８）を有し、リニアモータコイル組立体は溝（８）の中に設けられ第２の冷媒を通す第２の冷却管（９２、９４）をさらに含む。
好ましくは、第１の冷却管（５０）は複数のコイル（４４）の中を蛇行する扁平冷却管を含み、第２の冷却管（９２、９４）は直線的な扁平冷却管を含む請求項１に記載のリニアモータコイル組立体。
本発明のリニアモータコイル組立体によれば、コイルから発生した熱は第１の冷媒によってコイル組立体から除去される。さらに、コイルに残留した熱は鉄心およびベースプレートを経由して第２の冷却管へ伝えられ、第２の冷却管中の第２の冷媒は熱をベースプレートから除去する。また、精密テーブルの温度は、何らかの加工を精密テーブルにほどこすことなく、一定に維持される。
絶縁樹脂によって覆われていない本発明のリニアモータコイル組立体を示す側面図である。 図１のリニアモータコイル組立体を示す平面図である。 絶縁樹脂によって覆われた本発明のリニアモータコイル組立体を示す平面図である。 右上から見た図１のリニアモータコイル組立体の斜視図である。 図１のリニアモータコイル組立体の側面図である。 図１のリニアモータコイル組立体の正面図である。 追加の冷却装置を示す斜視図である。 図７の追加の冷却装置を示す平面図である。 図７の追加の冷却装置を示す側面図である。 追加の冷却装置が設けられたリニアモータコイル組立体を示す平面図である。 図１０のリニアモータコイル組立体を示す側面図である。 図１０のリニアモータコイル組立体を示す正面図である。 図１０のリニアモータコイル組立体を示す分解図である。 追加の冷却装置用の取付具を示す斜視図である。
図面を参照して、本発明によるリニアモータコイル組立体が説明される。図１および２に示されるように、コイル組立体はベースプレート１と複数の鉄心４２を有している。Ｘ軸の方向に移動を発生するリニアモータは移動子と固定子から成り、コイル組立体が移動子と固定子のうち一方を構成している。
鉄心４２は積層された珪素鋼板によって形成され、磁極毎に分割されている。複数のコイル４４がそれぞれの鉄心４２に形成されている。図１に良く示されるように、鉄心４２はねじ４８によってベースプレート１の上面にＸ軸の方向に一列に取り付けられている。ねじ４８用の孔４６がベースプレート１に形成されている。ねじ４８用の孔４３が鉄心４２に形成されている。
図２に良く示されるように、扁平冷却管５０がコイル４４の中を蛇行するように配置されている。扁平冷却管５０は、アルミニウムの押出し成形によって作られている。扁平冷却管５０の高さは、コイル４４の高さと同等かわずかに大きい。扁平冷却管５０は発熱源であるコイル４４のほとんどの外面に接触する。冷媒が流れる多数の透孔が扁平冷却管５０の中に形成されている。扁平冷却管５０は分岐を有してないので、冷媒の流れに淀みが発生しない。コイル４４に発生する熱は扁平冷却管５０中の冷媒によって直ちに冷却される。
一対のマニホールド５６、５８がベースプレート１の一端に並んで固定されている。扁平冷却管５０の一端はマニホールド５６へ、他端は５８へ溶接によって接続されている。冷媒は供給源からマニホルド５６へ導入されるようになっている。蛇行する扁平冷却管５０の中を通る冷媒は、多数のコイルを中をベースプレート１の一端から他端へ、すなわち図中の左から右へ向かう。最後に、冷媒はベースプレート１の他端からマニホルド５８へ直線的に送られ、コイル組立体の外へ直ちに排出される。
全てのハーネスがベースプレート１の外へ置かれた後、箱形の型枠が鉄心４２、コイル４４および扁平冷却管５０に被せられる。絶縁樹脂が型枠の中に注入され、固化した矩形の成形体は所定の寸法へ仕上げられる。こうして絶縁樹脂に覆われたコイル組立体が、図３、４、５および６に示されている。転流センサ５がマニホールド５６、５８の間でコイル組立体に設けられている。図中の参照番号４、５および６は、コイル用のハーネス、転流センサ用のハーネス、および温度センサ用のハーネスをそれぞれ示している。
ベースプレート１の下面は工作機械や半導体製造装置における精密テーブルに接合できるようになっている。ベースプレート１を精密テーブルに取付けるための多数のねじ穴８２が、ベースプレート１の対向する側面に沿って形成されている。直線的な溝８がベースプレート１の下面にその全長にわたって形成されている。熱伝導性の良いシリコンの薄膜が溝８に形成されている。
図７、８および９に示されているように、追加の冷却装置は、溝８に設けられる一対の扁平冷却管９２、９４を有する。追加の冷却装置は更に一対のマニホルド９６、９８を有する。扁平冷却管９２、９４は一対のマニホルド９６、９８間を平行に並んで延びている。扁平冷却管９２、９４はアルミニウム合金から製作されている。扁平冷却管９２、９４の両端はアルミロウ付けによりマニホルド９６、９８に固定されている。扁平冷却管９２、９４は３ｍｍ程度の厚さを有する。
扁平冷却管９２、９４は溝８の中を直線的に延びているので、冷媒温度における差が扁平冷却管９２、９４の中で最小化される。扁平冷却管９２、９４は溝８に嵌合するように設計されている。一対の扁平冷却管９２、９４に替えて、１枚あるいは３枚以上の扁平冷却管が溝８に嵌合するようにしても良い。しかしながら、アルミニウム扁平冷却管の強度と製造効率の観点から、本実施例では一対の扁平冷却管９２、９４が選ばれた。
追加の冷却装置が設けられたコイル組立体が、図１０、１１、１２および１３に示されている。図１０に良く示されるように、冷媒を導入するためのマニホルド９６は取付具３０によってベースプレート１の一端に取付けられている。冷媒を排出するためのマニホルド９８は取付具３０によってベースプレート１の他端に取付けられている。
図１４に示されるように、取付具３０はコの字形状であり、胴部３２と平行な鉤部３４、３６とから成る。胴部３２はマニホルド９２、９６とほぼ同じ長さを有する。図１０に示されるように、取付具３０はそれらの胴部３２によってベースプレート１の両端へ取付けられる。それから、マニホルド９２、９６が鉤部３４、３６によって取付具３０へ取付けられる。
供給源から第１の冷媒がマニホルド５６へ導入される。同じ又は別の供給源から第２の冷媒がマニホルド９６へ導入される。コイル４４から発生した熱は第１の冷媒によってコイル組立体から除去される。コイル４４に残留した熱は鉄心４２、ベースプレート１およびシリコン薄膜を経由して扁平冷却管９２、９４へ伝えられる。扁平冷却管９２、９４中の第２の冷媒は熱をベースプレート１から除去し、精密テーブルの温度を一定に維持する。冷媒はマニホルド９８からコイル組立体の外へ直ちに排出される。
１　　　ベースプレート
４　　　コイル用のハーネス
５　　　転流センサ用ハーネス
６　　　温度センサ用ハーネス
８　　　溝
３０　　取付具
３２　　胴部
３４、３６　　鉤部
４２　　鉄心
４３　　孔
４４　　コイル
４６　　孔
４８　　ねじ
５０　　扁平冷却管
５２　　転流センサ
５６、５８　　マニホルド
８２　　ねじ穴
９２、９４　　扁平冷却管
９６、９８　　マニホルド

Claims (2)

  1. 上面と下面を有するベースプレートと、前記ベースプレートの上下面のうち一方の面に長手方向に固定された一列の鉄心と、前記鉄心にそれぞれ設けられた複数のコイルと、前記複数のコイルに接触し第１の冷媒を通す第１の冷却管とを含む、前記ベースプレートの上下面のうち他方の面をテーブルに取付け可能なリニアモータコイル組立体において、
    前記ベースプレートは前記ベースプレートの他方の面に長手方向に直線的に延びる溝を有し、リニアモータコイル組立体は溝の中に設けられ第２の冷媒を通す第２の冷却管をさらに含むことを特徴とするリニアモータコイル組立体。
  2. 前記第１の冷却管は前記複数のコイルの中を蛇行する扁平冷却管を含み、前記第２の冷却管は直線的な扁平冷却管を含む請求項１に記載のリニアモータコイル組立体。
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