JP2011200098A - 冷媒冷却リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータ全体の温度性能向上を維持しつつ、電機子側の推力密度や界磁側の発生磁界を低下することなく、軽量化を図ることができる冷媒冷却リニアモータの電機子および冷媒冷却リニアモータを提供する。
【解決手段】リニアモータは、基板２に固定された電機子巻線３と該電機子巻線３を囲むように内部空間に冷媒が供給される冷却ジャケット８とを有する電機子１を備えると共に、冷却ジャケット８は、電機子巻線３を囲み該電機子１の進行方向と互いに直交する方向の面を構成する第１冷却ジャケット８ａ、第２冷却ジャケット８ｂ、第３冷却ジャケット８ｃ、第４冷却ジャケット８ｄを対向させて筒状に連結して構成した筒状ジャケット構造を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体露光装置、液晶露光装置のステージ駆動や工作機械のテーブル送り等のＦＡ機器に使用される冷媒冷却リニアモータに関する。

従来、半導体露光装置、液晶露光装置のステージ駆動や工作機械のテーブル送りのＦＡ機器に使用されると共に、送りや加工の高速化・高精度化を達成できるように、界磁極を構成する永久磁石と当該永久磁石の磁極面に磁気的空隙を介して対向した電機子巻線を配置する電機子を備えたリニアモータが提案されている。
リニアモータ電機子は、電機子巻線と、この電機子巻線を位置決め固定する基板と、この基板を固定するフレームと、このフレームを密封する蓋とで構成されており、フレームは中央部に冷媒溜り部が大きく形成されると共に、この冷媒溜り部には電機子巻線が収納され、冷媒溜り部の側面は蓋で密閉固定されている。このフレームには冷媒入口と冷媒出口が設けられると共に、該フレームのコア内には冷媒入口と冷媒出口と冷媒溜り部に各々連通した冷媒入口通路と冷媒出口通路が形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１２１８１３

ところが、従来のリニアモータ電機子側は、フレーム中央の冷媒溜り部に設けた電機子巻線の装着スペースが電磁的に無駄なスペースとなっていることから、電機子巻線の推力発生に寄与するフレームを含む電機子全体の体積寸法が大きくなり、単位体積当たりの推力（推力密度）を大きくすることができなかった。そのため、電機子の単位体積あたりの推力を大きくするには、リニアモータの高剛性化、軽量化を図ることが要求されていた。
また、冷媒溜り部となるフレームあるいは冷却ジャケットの類は小型化、強度確保の観点から繊維樹脂を使用したものが見受けられるが、繊維樹脂は面方向の熱伝導率が高いものの、厚さ方向には繊維が無く母材樹脂のみの熱伝導率となり、その値が低いことから、電機子巻線の発熱を冷媒溜り部の冷媒に伝熱し難く冷却性能が不十分であった。
また、電機子巻線が大幅に温度上昇した場合、電機子巻線が熱膨張する一方で、冷媒で常に冷却されている冷却ジャケット自体は温度上昇が小さく熱膨張がほとんどないため、両者の間には熱膨張差による内部応力が発生していた。
一方、リニアモータの軽量化には界磁極の形状を変更する手段があるが、界磁側の発生磁界が低下したり界磁側を可動子とした場合、電機子側に流す電流が増加し電機子の発熱量が増加した。
本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、リニアモータの温度性能を向上させ、冷却効率の向上を図ると共に、電機子側の推力密度や界磁側の発生磁界を低下することなく、高剛性化、軽量化を図ることができる冷媒冷却リニアモータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１の発明は、電機子巻線と前記電機子巻線を囲むように設けられ内部空間に冷媒が供給される冷却ジャケットを有する電機子と、強磁性体からなるヨーク上に複数の永久磁石を並べて取り付けられた界磁と、を備えた冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットは、前記電機子の進行方向と直交する方向の４面と前記電機子の進行方向の２面を対向させて箱状に連結するように構成した箱状のジャケット構造を有することを特徴としている。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットは薄板状で、且つ、内部に複数の冷媒流路を有した構造であることを特徴としている。
また、請求項３の発明は、請求項１また２に記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットは、ＣＦＲＰもしくはセラミックスまたはステンレスで構成したことを特徴としている。
また、請求項４の発明は、請求項１または２に記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットは、前記電機子の進行方向となる両端部分に冷媒を流すようにした冷媒入口または冷媒出口を備えたブロック構造を設けたことを特徴としている。
また、請求項５の発明は、請求項１または２に記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットの前記電機子の進行方向と直交する方向の４面のうち１面を、前記冷却ジャケットに替えて平板状のベースを配設したことを特徴としている。
また、請求項６の発明は、請求項５記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記ベースと前記冷却ジャケットの接続部位にフランジを設けたことを特徴としている。
また、請求項７の発明は、請求項６記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットと前記フランジを炭素繊維により一体化したことを特徴としている。
また、請求項８の発明は、請求項１または２記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットの内部には、該ジャケットの内壁側に設けられると共に熱伝導率の高い第1補強部材と、該ジャケットの外壁側に設けられると共に前記第１補強部材よりも熱伝導率の低い第２補強部材とを組み合わせて配置したことを特徴としている。
また、請求項９の発明は、請求項８記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記第１補強部材および前記第２補強部材は互いに接着により固定したことを特徴としている。
また、請求項１０の発明は、請求項９に記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記第１補強部材の両端に設けたフランジ部と、前記フランジ部を前記冷却ジャケットの内壁における反冷媒流路側に嵌合するように固定したインサートナットと、前記第１補強部材と前記冷却ジャケットの内壁を固定するように前記インサートナットに対して締結されたボルトとが設けられたことを特徴としている。
また、請求項１１の発明は、請求項１０記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記第１補強部材の冷媒流路側に形成された凹部と、前記凹部に嵌合するように前記第２補強部材に形成された凸部と、前記凸部に接着により固定された第２のインサートナットと、前記冷却ジャケットの外壁側から前記第２インサートナットに対して締結されたボルトとが設けられたことを特徴としている。
また、請求項１２の発明は、請求項８記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記第１補強部材および前記第２補強部材は、前記電機子巻線の周長の所定の位置に配置されたことを特徴としている。
また、請求項１３の発明は、請求項８記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記第１補強部材および前記第２補強部材は、前記電機子の進行方向に沿って複数の電機子巻線を跨るように配置されたことを特徴としている。
また、請求項１４の発明は、請求項８記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、第１補強部材は、厚さ方向に繊維が配向したＣＦＲＰもしくは高熱伝導率フィラーを充填した樹脂材料または非磁性金属を用いたことを特徴としている。
また、請求項１５の発明は、請求項５記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記電機子巻線とベースを予め樹脂モールドにより一体化すると共に、当該樹脂モールドされた電機子巻線と空隙を介して前記冷却ジャケットを被せる構成にしてあり、前記空隙に熱伝導率の高いシール剤または弾性樹脂を充填したことを特徴している。
また、請求項１６の発明は、請求項１５記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記電機子巻線とベース間に補強部材を設けたことを特徴としている。
また、請求項１７の発明は、請求項４に記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記冷却ジャケットの冷媒入口または冷媒出口を有したブロックには、冷媒の流れを拘束する間仕切りを設けたラビリンス構造を有することを特徴としている。
また、請求項１８の発明は、請求項１記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記界磁用永久磁石は、前記ヨーク上の進行方向に沿って、磁極の向きが異なる主磁極の永久磁石と副磁極の永久磁石とから構成されるハルバッハ磁石配列構造であることを特徴としている。
また、請求項１９の発明は、請求項１または１８記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記ヨークにおける前記副磁極が対向する部分に、前記副磁極の幅より狭い空隙を設けたことを特徴としている。
また、請求項２０の発明は、請求項１９記載の冷媒冷却リニアモータにおいて、前記ヨークの空隙部に、前記永久磁石および前記ヨークとは異なる材質で構成される非磁性部材を設けたことを特徴としている。

請求項１〜７に記載の本発明によれば、フレームを配置しないため、巻線スペースを広く設けることができ、リニアモータの性能向上、推力密度の向上に大きく貢献することが可能である。また、冷却ジャケットに高剛性のＣＦＲＰやセラミックス、非磁性金属であるステンレスを使用することで剛性の低下を抑え、且つ、軽量化を図ることが可能である。
また、請求項８〜１４に記載の本発明によれば、電機子巻線の熱を効率良く冷媒に伝えることができるとともに、ジャケット外面の温度上昇を抑えることができ、冷却効率を向上することができる。
また、請求項１５に記載の本発明によれば、電機子巻線が大幅に温度上昇しても内部の熱応力を吸収することができるとともに、冷却効率の低下を抑えることができる。
また、請求項１６に記載の本発明によれば、可動子の剛性・耐振動性を向上することができる。
また、請求項１７に記載の本発明によれば、リニアモータの可動子の取付け姿勢を任意に設定しても、その冷却効果を維持することが可能となる。
また、請求項１８〜２０記載の本発明によれば、可動子となる界磁極の軽量化が可能となり、可動子質量あたりの推力を高めることができ、可動子を駆動させる際の必要な推力が抑制されるため、電機子の発熱量を低減することができる。

本発明の第１実施形態に用いる冷媒冷却リニアモータの全体斜視図、 本発明の第１の実施形態を示す冷媒冷却リニアモータの電機子であって、（ａ）はその分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した拡大斜視図、 本発明の第２実施形態を示す冷媒冷却リニアモータの電機子の断面図、 図３の上面から見たリニアモータの電機子巻線と冷却ジャケットの補強部材の位置関係を示した上面図、 本発明の第３の実施形態を示す補強部材の固定部分を拡大した側断面図、 本発明の第４の実施形態を示す補強部材の固定部分を拡大した側断面図、 本発明の第５の実施形態を示す冷却ジャケット内の補強部を電機子の進行方向に沿って直線状に複数配置した構成の上面図、 図７の冷却ジャケット内の補強部材のＢ部を拡大した図で、同時に電機子巻線との配置関係を示したもの、 本発明の第６実施形態に用いる冷媒冷却リニアモータの全体斜視図、 第６の実施形態を示すリニアモータ電機子側の分解斜視図、 第６の実施形態におけるリニアモータ電機子を組立てた状態の正断面図、 図１１のフランジ部の別の取り付け状態を示す正断面図、 本発明の第７実施形態に用いる冷媒冷却リニアモータの電機子の側断面図 図１３に示すリニアモータ電機子の正断面図 本発明の第８実施形態に用いる冷媒冷却リニアモータの電機子の側断面図 本発明の第９実施形態に用いる冷媒冷却リニアモータの電機子の側断面図 本発明の第１０実施形態を示す冷却ジャケットの斜視図 図１７に示す冷却ジャケットの一構成部分であって、（ａ）は冷媒入口を有した第１ブロックの分解斜視図、（ｂ）は冷媒出口を有した第２ブロックの分解斜視図、 本発明の第１０実施形態における電機子の取付け方向を限定した場合の電機子の正断面図 本発明の第１１の実施形態を示すリニアモータ界磁側の平断面図、 第１１の実施形態の別の形態を示すリニアモータ界磁側の平断面図、

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施例に用いる冷媒冷却リニアモータの全体斜視図である。
図１において、１は電機子、２は基板、３は電機子巻線、８は冷却ジャケット、１５は界磁、１６はヨーク、１６ａはヨーク固定板、１７は界磁用永久磁石である。
図１に示すリニアモータは、基板２に固定された電機子巻線３と該電機子巻線３を囲むように内部空間に冷媒が供給される冷却ジャケット８とを有する電機子１を備えると共に（所謂フラット形のリニアモータ電機子）、該電機子１の冷却ジャケット８の周囲を囲むように空隙を介して対向配置させた界磁１５を備えており、界磁１５は、強磁性体で構成されるヨーク１６上にリニアモータの移動方向に沿って並べて取り付けた複数の界磁用永久磁石１７を設けたものとなっている。図１は界磁１５を相対移動する可動子とし、電機子１を固定子とする構成であるが、逆に電機子１を可動子とし、界磁１５を固定子とするようにしても構わない。
図２は本発明の第１の実施例を示す冷媒冷却リニアモータの電機子であって、（ａ）はその分解斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部を拡大した拡大斜視図である。
図２において、冷却ジャケット８は、電機子巻線３を囲み該電機子１の進行方向と互いに直交する方向の４面を構成する第１冷却ジャケット８ａ、第２冷却ジャケット８ｂ、第３冷却ジャケット８ｃ、第４冷却ジャケット８ｄと、該電機子１の進行方向の２面を構成するブロック部材となる第１ブロック４、第２ブロック５と、を対向させて箱状に連結するように構成した箱状のジャケット構造を有すると共に、薄板状で、かつ、ガラス繊維や炭素繊維を含有する繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）またはセラミックス、あるいは非磁性金属であるステンレス等の材料で構成し、高剛性化を図ったものとなっている。
具体的に説明すると、図２（ａ）に示すような箱状ジャケット構造において、第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄの左右両端部分（電機子の進行方向）にも冷媒を流すよう、該両端部分にそれぞれ冷媒入口６を有する第１ブロック４および冷媒出口７を有する第２ブロック５を設け、第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄの冷媒流路の入口と第１ブロック４の冷媒入口の間および第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄの冷媒流路の出口と第２ブロック５の冷媒出口の間を連通させた構造を構成している。なお、第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄの貫通穴ｈ１を、第１ブロック４および第２ブロック５のそれぞれの上下左右面に設けたねじ穴ｈ２に位置合わせをして、ネジＭを貫通穴ｈ１に挿入してねじ穴ｈ２にねじ込み、第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄと第１ブロック４および第２ブロック５を固定するようにしている。
さらに、図２（ｂ）に示すように、冷媒入口６を有する第１ブロック４と第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄ間はＯリング９にて流路の密閉性を確保している。Ｏリング９は冷媒入口６側と同様に、図２（ａ）に示される冷媒出口７を有する第２ブロック５と第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄ間にもＯリング９を用いて流路の密閉性を確保するようにしている。なお、Ｏリングに替えて流路密閉性を高める目的であればシール剤であっても問題ない。
なお、冷却ジャケットの左右両端（電機子の進行方向）に設ける冷媒入口を有する第１ブロック４、冷媒出口を有する第２ブロック５の何れも、第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄと同様に、薄形状のジャケットで構成しても何ら問題はない。また、
第１ブロック４および第２ブロック５は、冷媒入口および出口を設けずに、単に箱状の冷却ジャケット構造を保持する固定部材の機能のみとしても構わず、その場合は、第1冷却ジャケット８ａ〜第４冷却ジャケット８ｄ本体に冷媒入口および出口を設けてそれぞれ独立して冷媒を流すように構成する。

次に動作について説明する。
図２（ａ）において、第１ブロック４の冷媒入口６から流入した冷媒は、第1ブロック４内部の流路を通り、電機子巻線３を囲み該電機子１の進行方向と互いに直交する方向の４面を構成する第１冷却ジャケット８ａ、第２冷却ジャケット８ｂ、第３冷却ジャケット８ｃ、第４冷却ジャケット８ｄにそれぞれ分散して流れ、当該冷却ジャケット８ａ〜８ｄをそれぞれ流れた冷媒は第２ブロック８に集合して冷媒出口７から排出され、この時、電機子巻線３で発生した熱は冷却ジャケット８ａ〜８ｄを通過する冷媒によって抜熱される。

従来の冷媒冷却リニアモータにおいては、冷媒自体の絶縁性能によりリニアモータ自体が絶縁信頼性の影響を受ける問題や、電機子巻線を配置するためのフレームを有することから巻線スペースを犠牲にする問題があったが、本発明は、従来技術に示したような電機子巻線を中央に保持するためのフレームを廃止することで、その分の電機子巻線スペースが拡大すると共に、電機子巻線の外周を覆う冷却ジャケットを従来の２面から４面に配置することで、電機子の進行方向と直交する方向となる４面全てを冷却するための冷却効率を改善させ、温度上昇性能を高めることができる。さらにリニアモータ性能の向上、推力密度の向上に寄与することができる。
また、冷却ジャケットは、ＣＦＲＰやセラミックス、あるいは非磁性金属であるステンレスンなどの材料を使用することで剛性の低下を避けることが可能である。

図３は本発明の第２実施例を示す冷媒冷却リニアモータの電機子の断面図であって、ちょうど図１のＣ―Ｃ線に沿う断面図に相当する。
冷却ジャケット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの内部にはそれぞれ冷媒流路１１を有しており、さらに該冷却ジャケットの内壁側に該冷却ジャケットの部材とは異なる熱伝導率の高い第1補強部材１２が設けられており、該冷却ジャケット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの外壁側には第１補強部材１２よりも熱伝導率の低い第２補強部材１３とを組み合わせて配置した構成となっている。なお、第１補強部材１２、第２補強部材１３、冷却ジャケット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは接着などにより固定されている。ここで第１補強部材１２には、厚さ方向に繊維が配向したＣＦＲＰ、高熱伝導率フィラーを充填した樹脂材料、非磁性金属など、厚さ方向の熱伝導率が高い材料を使用することで電機子巻線３の熱を効率良く冷媒に伝えることができる。また第１補強部材１２と冷却ジャケット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの外壁との間に、樹脂などの低熱伝導率材料となる第２補強部材１３を使用することで該冷却ジャケット外壁への伝熱を抑制し、ジャケット外面の温度上昇を抑えることができる。
図４は図３の上面から見たリニアモータの電機子巻線と冷却ジャケットの補強部材の位置関係を示した上面図である。
図４において、円形断面からなる第１補強部材１２（第２補強部材１３は図示せず）電機子巻線３の周長の所定の位置に複数配置するようにしたものである。このように第１補強部材１２を電機子巻線３の周長に複数設けることで伝熱面積が増加するため、電機子巻線３の熱を効率よく冷媒へ伝熱することができると共に、薄板状で間に間隔の狭い冷媒流路１１を形成する冷却ジャケットの補強を確実に行うことができる。なお、第１補強部材１２は円形断面以外に矩形断面形状でも構わず、図示しない第２補強部材１３も同様である。

図５は本発明の第３の実施例を示す冷却ジャケット内における補強部材の固定部分を拡大した側断面図であり、代表して冷却ジャケット８ａの部位について説明したものである。
第３実施例が第２実施例と異なる点は、第１補強部材１２の両端にフランジ部１２ａを設け、該フランジ部１２ａを冷却ジャケット８ａの内壁における反冷媒流路側に嵌合するようにインサートナット１４ａを固定しており、第１補強部材１２と冷却ジャケット８ａの内壁を固定するようにインサートナット１４ａに対してボルト１４ｂをねじ込んで固定するようにした点である。なお、第１補強部材１２と第２補強部材１３と冷却ジャケット８ａの外壁の間は接着により固定されると共に、第１補強部材１２のフランジ部１２ａはＯリング９´にて流路の密閉性を確保している。
このようにすることで、補強部材１２と冷却ジャケット８ａの固定を接着に頼ることなく、機械的な固定に加えシールを施しているため、流路の密閉性を高めることができる。なお、Ｏリング９´のほか、流路密閉性を確保する目的であれば、代替としてシール剤であっても構わない。

図６は本発明の第４の実施例を示す冷却ジャケット内における補強部材の固定部分を拡大した側断面図であり、代表して冷却ジャケット８ａの部位について説明したものである。
第４実施例が第３実施例と異なる点は、第１補強部材１２の冷媒流路側に凹部１２ｂを形成し、前記凹部１２ｂに嵌合するように第２補強部材１３に凸部１３ａを形成し、前記凸部１３ａに接着により第２のインサートナット１４ａを予め固定し、冷却ジャケット８ａの外壁側から第２インサートナット１４ａに対してボルト１４ｂをねじ込んで締結するようにした点である。
このようにすることで、冷却ジャケット８ａの外壁と第１補強部材１２との間で保持される第２補強部材１３を第３実施例よりも確実かつ強固に固定することができると共に、冷却ジャケットの外壁側からボルトを使用しても電機子巻線の熱が冷却ジャケット表面へ伝わるのを抑えることも可能である。なお、冷却ジャケット内壁からの固定方法は第３実施例と同様である。

図７は本発明の第５の実施例を示す冷却ジャケット内の補強部材を電機子の進行方向に沿って直線状に複数配置した構成の上面図、図８は図７の冷却ジャケット内の補強部材のＢ部を拡大した図で、同時に電機子巻線との配置関係を示したものである。
第５実施例が第２〜第４実施例と異なる点は、第２〜第４実施例に示した第１補強部材１２、第２補強部材１３に替えて、図７に示すような電機子の進行方向に沿って第３補強部材２２を直線状に複数配置するようにし、複数の第３補強部材２２の間に冷媒流路１１を形成した構成になっている点である。したがって、第３補強部材２２と電機子巻線３との配置関係を平面図で示すと図８のようになり、第３補強部材２２は複数の電機子巻線３に跨るように配置される。
図７、図８に示したように、冷却ジャケット８ａ内部に電機子の進行方向に沿って複数本の第３補強部材２２を直線状に設けることで、第３補強部材２２を電機子巻線３ごとに全周上に複数個配置する構成と比べて、複数の冷媒流路１１が確保されることから冷媒流速が増加に伴って、伝熱面積増大による冷媒への伝熱の効率化をより高めることができると共に、冷却ジャケットの剛性を大幅に向上することができる。

図９は本発明の第６実施例に用いる冷媒冷却リニアモータの全体斜視図である。
図９において、１は電機子、１０はベース、１５は界磁、１６はヨーク、１７は界磁用永久磁石である。
図１０は第６の実施例を示すリニアモータ電機子側の分解斜視図である。
第６実施例が第１実施例と異なる点は、冷却ジャケットの電機子の進行方向と直交する方向の４面のうち１面を、該冷却ジャケットに替えて平板状のベースを配設した点にあり、第１実施例がフラット形のリニアモータ電機子に対して、第６実施例のものは所謂Ｔ形のリニアモータ電機子を構成したものとなっている。
具体的には、図１０において、冷媒冷却リニアモータの電機子側は、電機子巻線３と、電機子巻線３を装入、配置し、かつ、電機子の進行方向と直交する方向の３面（冷却ジャケット８ａ、８ｂ、８ｃ）と電機子の進行方向の２面（冷却ジャケット８ｅ、８ｆ）を対向させて箱状に連結するように構成した箱状のジャケット構造と、１枚の平板状あるいは角柱状のベース１０で構成されている。一般的に電機子巻線３は基板２に接着し結線される場合が多い。基板２に接着、結線された電機子巻線３を５つの冷却ジャケット８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｅ、８ｆで構成した箱状ジャケットに接着あるいは樹脂モールドして固定する。リニアモータの固定構造が異なる場合、図１０のように冷却ジャケットを多面に配置することが可能であり、更に温度上昇性能を高めることが可能である。
なお、図１０ではリニアモータ電機子側の分解斜視図を示したが、各々の冷却ジャケットの取り付け構造の詳細な説明については省略する。
図１１は、第６の実施例におけるリニアモータ電機子を組立てた状態の正断面図である。図１２は図１１のフランジ部の別の取り付け状態を示す正断面図である。
図１１に示す冷媒冷却リニアモータの電機子において、電機子の進行方向（紙面の手前と奥に位置する２面）と、電機子の進行方向と直交する方向の３面（冷却ジャケット８ａ、８ｂ、８ｃ）とで箱状に連結するように構成した箱状のジャケットと、１枚の平板状のベース１０と接続する接続部位に、別部材であるフランジ２３を接着により固定するようにしたものである。
図１２は、図１１の別の実施例であって、図１１に示す箱状ジャケットとフランジ２３を接着により接合している構成に対して、図１２は、箱状ジャケットとフランジ２３をＣＦＲＰ（炭素繊維）で一体に成形した例である。図１１の接着による接合に対し図１２は強度を増すことが可能であり、電機子の姿勢を横向きにしても電機子の質量を十分保持できるように、角部には推力方向と直交する方向に炭素繊維の方向を一致するように配置して剛性を強化している。

図１３は本発明の第７実施例に用いる冷媒冷却リニアモータの電機子の側断面図、図１４は図１３に示すリニアモータ電機子の正断面図である。第７実施例が第６実施例と異なる点は、図１３、図１４に示すとおり、電機子巻線３とベース１０を予め樹脂モールド２４により固着して一体化したものに箱状の冷却ジャケット８を被せる構造としたものである。具体的には、図１４の冷却ジャケット８を正断面視した場合において、樹脂モールド２４と冷却ジャケット８ａ、８ｃ(左右両側)、８ｂ（下部）との間の対向する３面、さらに図１３の冷却ジャケット８を側断面視した場合において、樹脂モールド２４と冷却ジャケット８eとの間の対向する面についてそれぞれ空隙２５を設けると共に、当該空隙２５に図示しない熱伝導率の高いシール剤や弾性樹脂を充填した点である。
第７実施例は図１３、１４に示すように樹脂モールド２４と冷却ジャケット８の間に空隙２５を設けることで、電機子巻線が大幅に温度上昇して樹脂モールド２が膨張してもその膨張量を空隙２５で吸収でき、冷却ジャケットに応力が加わることがない。また、樹脂モールド２４と冷却ジャケット８の間に設けた空隙２５に熱伝導率の高いシール剤や弾性樹脂を充填することで、電機子巻線３から冷媒への熱伝導率を高く確保し、冷却効率の低下を抑制することができる。これにより、電機子巻線の温度上昇の許容範囲が広がるため、リニアモータの推力性能を向上することができる。

図１５は本発明の第８実施例に用いる冷媒冷却リニアモータの電機子の側断面図である。第８実施例が第６〜第７実施例と異なる点は、内部に複数の冷媒流路を有する冷却ジャケット構造を装着した冷媒冷却リニアモータにおいて、電機子巻線３の両側面とベース１０の間に第４補強部材２６を設け、第４補強部材２６と電機子巻線３とを樹脂モールド２４により固着して一体化した点である。
第８実施例は図１５に示すように電機子巻線の両側面とベースの間に第４補強部材を設けることで、可動子の剛性・耐振動性を向上することができる。さらに電機子巻線３の長手方向に位置する両端に配置するだけでなく、各電機子巻線間にこの補強部材を複数設けることでより一層の効果が期待できる。

図１６は本発明の第９実施例に用いる冷媒冷却リニアモータの電機子の側断面図である。第９実施例が第８実施例と異なる点は、内部に複数の冷媒流路を有する冷却ジャケット構造を装着した冷媒冷却リニアモータにおいて、先端がＶ字形状をした第５補強部材２７を当該巻線間の上部に位置する湾曲部分とベース１０の間に配置すると共に、電機子巻線３と第５補強部材２７とを樹脂モールド２４により固着して一体した点である。
第９実施例は図１６に示すように電機子巻線間の上部の湾曲部分に第５補強部材を設けることで、各々の電機子巻線同士の間隔が狭く、且つ、当該巻線間に補強部材を設けることができない場合でも、可動子の剛性・耐振動性を向上することができる。

図１７は、本発明の第１０実施例を示す冷却ジャケットの斜視図、図１８は図１７に示す冷却ジャケットの一構成部分であって、（ａ）は冷媒入口を有した第１ブロックの分解斜視図、（ｂ）は冷媒出口を有した第２ブロックの分解斜視図、図１９は第４実施例における電機子の取付け方向を限定した場合の電機子の正断面図を表している。第１０実施例は、図１０に示した第６実施例をより詳細に説明したものとなっている。
第１０実施例は、図１７に示すように冷却ジャケット８の左右両端部分に冷媒入口６を有した第１ブロック４と、冷媒出口７を有した第２ブロック５を配置した構成において、第１ブロック４および第２ブロック５の内部で冷媒の流れを一時的に拘束するための間仕切り板２８と、冷媒溜まり部２９と、冷媒連通溝３０を設け、冷媒の流入及び流出をスムーズに行うようにしたラビリンス構造を採用したものである。

次に動作について説明する。
図１７において、第１ブロック４の冷媒入口６から流入した冷媒は、図１８（ａ）に示す第１ブロック４の冷媒溜り部２９に一旦蓄えられ、冷媒が間仕切り板２８を乗り超えることで、冷媒連通溝３０の方に流れ、冷媒連通穴３１を介して第１冷却ジャケット８ａ、第２冷却ジャケット８ｂ、第３冷却ジャケット８ｃの各々の流路へ分散して流れる。その後、図１８（ｂ）に示す第２ブロック５の冷媒連通穴３１を介して冷媒連通溝３０に冷媒が集中して流入し、集まった冷媒が間仕切り板２８を乗り超えることで、冷媒溜り部２９を通って冷媒出口７より排出される。すなわち、第２ブロック５に設けた間仕切り板２８の間仕切りを乗り超えなければ、冷媒は冷媒出口７側へは排出されない構造となっている。また、図１９に示すように間仕切り板２８の長さを冷媒連通穴３１の位置よりも高い位置まで設けることで冷媒は全流路へ充填されることとなる。また、第２冷却ジャケット８ｂへの充填においても、間仕切り板２８の高さを調整することで可能となる。さらに、前記ラビリンス構造を冷媒入口側と冷媒出口側両方に設けることで、冷媒の入口と出口を入れ替えた場合においても、同様の原理で、冷媒は全流路へ充填され、部品の共通化や作業性の改善に貢献できる。
以上は、可動子の取付け姿勢を図１９の向きにした場合について述べたものであるが、
図１７と上下を反対方向とした場合は、冷媒の入口と出口は全流路よりも上側に配置されるため、この場合においては、前記ラビリンス構造の有無には関係なく冷媒は全流路に充填されることとなる。これにより可動子の取付け姿勢を任意に設定することが可能となる。

図２０は、本発明の第１１の実施例を示すリニアモータ界磁側の平断面図である。
図２０において、１６はヨーク、１７ａは主磁極、１７ｂは副磁極、１８は空隙、２０は磁束の向きである。
界磁用永久磁石１７は、ヨーク１６上の進行方向に沿って、磁極の向きが異なる主磁極１７ａの永久磁石と副磁極１７ｂの永久磁石とから構成されるハルバッハ磁石配列構造である。ここでは、ヨーク１６における副磁極１７ｂ（幅Ｗ）が対向する部分に、副磁極１７ｂの幅Ｗより狭い幅ＷＢを有する空隙１８を設けた構成にしてある。

また、図２１は第１１の実施例の別の形態を示すリニアモータ界磁側の平断面図である。
図２１において、１９は非磁性体である。
図２０に示したヨーク１６の空隙部１８に替えて、図２１において、永久磁石１７およびヨーク１６とは異なる材質で構成される非磁性部材１９を設けた構成にしてある。
第１１実施例は上記構成にしたので、ハルバッハ磁石配列の界磁極を有するリニアモータの特長である、推力向上、推力変動の低減を悪化させることなく、界磁極の軽量化を可能にし、電機子の発熱量を低減させることができるリニアモータを提供することができる。
なお、該非磁性材は、ヨーク、永久磁石より軽量の物質であれば何でも良く、樹脂でもセラミックスやチタンなどの金属でもよい。

１ 電機子
２ 基板
３ 電機子巻線
４ 第１ブロック
５ 第２ブロック
６ 冷媒入口
７ 冷媒出口
８ 冷却ジャケット
８ａ 第１冷却ジャケット
８ｂ 第２冷却ジャケット
８ｃ 第３冷却ジャケット
８ｄ 第４冷却ジャケット
８ｅ 第５冷却ジャケット
８ｆ 第５冷却ジャケット
９ Ｏリング
１０ ベース
１１ 冷媒流路
１２ 第1補強部材
１２ａ フランジ部
１２ｂ 凹部
１３ 第２補強部材
１３ａ 凸部
１４ａ インサートナット
１４ｂ ボルト
１５ 界磁
１６ ヨーク
１６ａ ヨーク固定板
１７ 界磁永久磁石
１７ａ 主磁極
１７ｂ 副磁極
１８ 空隙
１９ 非磁性材
２０ 磁束の向き
２２ 第３補強部材
２３ フランジ
２４ 樹脂モールド
２５ 空隙
２６ 第４補強部材
２７ 第５補強部材
２８ 間仕切り板
３９ 冷媒溜り部
３０ 冷媒連通溝
３１ 冷媒連通穴
３２ 重力の方向

Claims (20)

1. 電機子巻線と前記電機子巻線を囲むように設けられ内部空間に冷媒が供給される冷却ジャケットを有する電機子と、強磁性体からなるヨーク上に複数の永久磁石を並べて取り付けられた界磁と、を備えた冷媒冷却リニアモータにおいて、
   前記冷却ジャケットは、前記電機子の進行方向と直交する方向の４面と前記電機子の進行方向の２面を対向させて箱状に連結するように構成した箱状のジャケット構造を有することを特徴とする冷媒冷却リニアモータ。
2. 前記冷却ジャケットは薄板状で、且つ、内部に複数の冷媒流路を有した構造であることを特徴とする請求項１に記載の冷媒冷却リニアモータ。
3. 前記冷却ジャケットは、ＣＦＲＰもしくはセラミックスまたはステンレスで構成したことを特徴とする請求項１また２に記載の冷媒冷却リニアモータ。
4. 前記冷却ジャケットは、前記電機子の進行方向となる両端部分に冷媒を流すようにした冷媒入口または冷媒出口を備えたブロック部材を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒冷却リニアモータ。
5. 前記冷却ジャケットの前記電機子の進行方向と直交する方向の４面のうち１面を、前記冷却ジャケットに替えて平板状のベースを配設したことを特徴とする請求項１または２に記載の冷媒冷却リニアモータ。
6. 前記ベースと前記冷却ジャケットの接続部位にフランジを設けたことを特徴とする請求項５記載の冷媒冷却リニアモータ。
7. 前記冷却ジャケットと前記フランジを炭素繊維により一体化したことを特徴とする請求項６記載の冷媒冷却リニアモータ。
8. 前記冷却ジャケットの内部には、該ジャケットの内壁側に設けられると共に熱伝導率の高い第1補強部材と、該ジャケットの外壁側に設けられると共に前記第１補強部材よりも熱伝導率の低い第２補強部材とを組み合わせて配置したことを特徴とする請求項１または２記載の冷媒冷却リニアモータ。
9. 前記第１補強部材および前記第２補強部材は互いに接着により固定したことを特徴とする請求項８記載の冷媒冷却リニアモータ。
10. 前記第１補強部材の両端に設けたフランジ部と、前記フランジ部を前記冷却ジャケットの内壁における反冷媒流路側に嵌合するように固定したインサートナットと、前記第１補強部材と前記冷却ジャケットの内壁を固定するように前記インサートナットに対して締結されたボルトとが設けられたことを特徴とする請求項９に記載の冷媒冷却リニアモータ。
11. 前記第１補強部材の冷媒流路側に形成された凹部と、前記凹部に嵌合するように前記第２補強部材に形成された凸部と、前記凸部に接着により固定された第２のインサートナットと、前記冷却ジャケットの外壁側から前記第２インサートナットに対して締結されたボルトとが設けられたことを特徴とする請求項１０記載の冷媒冷却リニアモータ。
12. 前記第１補強部材および前記第２補強部材は、前記電機子巻線の周長の所定の位置に配置されたことを特徴とする請求項８記載の冷媒冷却リニアモータ。
13. 前記第１補強部材および前記第２補強部材は、前記電機子の進行方向に沿って複数の電機子巻線を跨るように配置されたことを特徴とする請求項８記載の冷媒冷却リニアモータ。
14. 第１補強部材は、第１補強部材は、厚さ方向に繊維が配向したＣＦＲＰもしくは高熱伝導率フィラーを充填した樹脂材料または非磁性金属を用いたことを特徴とする請求項８記載の冷媒冷却リニアモータ。
15. 前記電機子巻線と前記ベースを予め樹脂モールドにより一体化すると共に、当該樹脂モールドされた電機子巻線と空隙を介して前記冷却ジャケットを被せる構成にしてあり、前記空隙に熱伝導率の高いシール剤または弾性樹脂を充填したことを特徴とする請求項５記載の冷媒冷却リニアモータ。
16. 前記電機子巻線と前記ベースの間に補強部材を設けることを特徴とする請求項１５記載の冷媒冷却リニアモータ。
17. 前記冷却ジャケットの冷媒入口または冷媒出口を有したブロック部材は、冷媒の流れを拘束する間仕切りを設けたラビリンス構造を有することを特徴とする請求項４記載の冷媒冷却リニアモータ。
18. 前記界磁用永久磁石は、前記ヨーク上の進行方向に沿って、磁極の向きが異なる主磁極の永久磁石と副磁極の永久磁石とから構成されるハルバッハ磁石配列構造であることを特徴とする請求項１記載の冷媒冷却リニアモータ。
19. 前記ヨークにおける前記副磁極が対向する部分に、前記副磁極の幅より狭い空隙を設けたことを特徴とする請求項１または１８記載の冷媒冷却リニアモータ。
20. 前記ヨークの空隙部に、前記永久磁石および前記ヨークとは異なる材質で構成される非磁性部材を設けたことを特徴とする請求項１９記載の冷媒冷却リニアモータ。

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