JP3539493B2 - キャンド・リニアモータ電機子およびキャンド・リニアモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置や工作機のテーブル送りに使われると共に、低温度上昇と一定速送り精度が要求されるキャンド・リニアモータ電機子およびキャンド・リニアモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置や工作機のテーブル送りに用いられると共に、低温度上昇と一定速送り精度が要求されるキャンド・リニアモータは、例えば、実公平０６−０４１３８１号公報や実公平０６−０７０４８４号公報に開示されているものがある。
図６は従来技術を示すキャンド・リニアモータの全体斜視図である。
図６において、１０が固定子、１１が固定子ベース、１２がキャン、１３がヘッダ、１４が冷媒供給口、１５が冷媒排出口、２０が可動子、２１が可動子ベース、２２が界磁ヨーク、２３が永久磁石である。可動子２０を構成する永久磁石２３、２３間に固定子１０を構成する逆Ｔ字形の形状を成した電機子が配置される。可動子２０は、図示しないリニアガイド等によって固定子１０に対して支持されている。所定の電流を電機子巻線に流すことにより、永久磁石２３の作る磁界と作用して可動子２０には推力が発生する。そして、可動子２０は矢印で示す進行方向に移動する。
【０００３】
図７は図６のＡ−Ａ線に沿うキャンド・リニアモータの正断面図である。
図７において、固定子１０は逆Ｔ字形の形状を成している。固定子１０は、固定子ベース１１、固定子ベース１１の窪みに上向きに支持されているキャン１２、このキャン１２を密封しているヘッダ１３（図６参照）、このキャン１２及びヘッダ１３で作られる空間内に配置される巻線固定枠１６、巻線固定枠１６の長手方向に沿って固定される３相の電機子巻線１７、キャン１２の中を冷媒が通過する冷媒通路１８により構成されている。
電機子巻線１７は、例えば複数の集中巻コイルを３相分用意したもので構成され、巻線固定枠１６の左右両側に貼り付けられている。また、巻線固定枠１６はそれ自身の強度を要求されるため、ステンレスが使われている。
キャン１２は、コの字形に形成された２個のステンレス製の薄板を対称的に配置し、それら接合端面を溶接して構成されており、電機子巻線１７，巻線固定枠１６を密封している。同じくステンレス製の鋳物で形成された２個のヘッダ１３は、キャン１２の両端のうち、一方端に冷媒を通すための冷媒供給口１４を持ち、他端に冷媒排出口１５を各々持っている。キャン１２とヘッダ１３は接合面で溶接によって接合されている。
また、冷媒を冷媒供給口１４より供給して、冷媒排出口１５より排出することにより、冷媒は電機子巻線１７とキャン１２の間にある冷媒通路１８を流れる。一方、可動子２０の形状は、図７に示すように、固定子１０の電機子部を挟み込むようにして凹字形を成している。可動子２０は、固定子１０のキャン１２の両側に磁気的空隙を介して配置された永久磁石２３、永久磁石２３の作る磁束を通すための磁性体で作られた界磁ヨーク２２、それらを支持する可動子ベース２１により構成されている。また、永久磁石２３は、可動子の移動方向に沿って（紙面と垂直方向）、極ピッチごとに交互に極性が異なるように複数配置されている。
このように構成されたキャンド・リニアモータは、可動子２０と固定子１０の電気的相対位置に応じた所定の電流を電機子巻線１７に流すことにより、可動子２０となる永久磁石２３の作る磁界と作用して可動子２０に推力が発生する。この際、銅損によって発熱した電機子巻線１７を冷媒により冷却し、固定子１０の表面の温度上昇を低く抑えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では、キャン１２、巻線固定枠１６はステンレスで構成されており、これらステンレスで構成された部材には、可動子２０の永久磁石２３がその表面上を通過すると、レンツの法則により渦電流が発生する。そして、この渦電流と永久磁石２３の作る磁束とが鎖交し、可動子２０の進行方向とは逆方向に粘性制動力が発生する。粘性制動力の大きさは、ステンレスの厚さや幅、可動子の移動速度、磁極数、磁束密度の２乗におおよそ比例する。このような粘性制動力の発生により次のような問題が起きた。
（１） ある推力発生に必要な電機子電流を流しても、粘性制動力分だけ推力は小さくなる。粘性制動力分だけ電機子電流を流さなければならないため、電機子巻線の銅損が増加し、キャン表面の温度上昇が大きくなった。
（２） 渦電流はいわゆる渦電流損として発生場所で熱に変換される。つまり、発生場所であるキャン、巻線固定枠が発熱し、さらなる温度上昇を引き起こした。
したがって温度上昇が非常に制限される用途には使用することができなかった。
（３） 上記したように速度の２乗で粘性制動力が増加するので、（１）の問題により、高速度の送りが要求される用途には使用できなかった。
（４） 粘性制動力を低減するためにキャンの厚さを薄くすると、冷媒通路を通過する冷媒の圧力によってキャンの変形（空隙へのキャンの膨らみ量）が大きくなった。その結果、冷媒流量を上げることができず、キャン表面の温度上昇が大きくなった。
（５） 粘性制動力を低減するために巻線固定枠の厚さを薄くすると、巻線固定枠の強度が著しく低下した。その結果、推力の反作用を受ける巻線固定枠が、振動または変形し、所定の推力、応答性や信頼性を確保することができなくなった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、粘性制動力を低減するとともに、推力の反作用に耐えうる強度を持ち、さらには、可動子と固定子の磁気的空隙へのキャン変形を抑えることができるキャンド・リニアモータ電機子およびキャンド・リニアモータを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１記載のキャンド・リニアモータ電機子の発明は、巻線固定枠と、前記巻線固定枠の長手方向に沿って固定される電機子巻線と、前記巻線固定枠を額縁状に囲むように設けた金属製の筐体と、前記筐体の両開口部を密封するキャンと、前記電機子巻線の周囲に冷媒を流すことができるように前記筐体と前記キャンとで構成される密閉空間内に形成される冷媒通路と、前記キャンの両端のうち一方端側と他方端側の何れかに設けた冷媒供給口と冷媒排出口とを具備してなるキャンド・リニアモータ電機子において、前記キャンが樹脂で構成してあることを特徴とする。
請求項１記載の構成により、従来キャンと巻線固定枠に発生していた渦電流が無くなり、渦電流によるキャン部の発熱、粘性制動力分の推力増加による電機子巻線の発熱を無くすことができる。また、速度に関係無く粘性制動力は発生しないので、高速度の用途にも使用することができ、さらには、推力の反作用を受ける巻線固定枠を金属製の筐体で固定していることにより、巻線固定枠の振動を抑えることができる。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のキャンド・リニアモータ電機子において、前記キャンを予め湾曲させて、前記湾曲の凸面が互いに対向するように前記キャンを前記筐体の両開口部に配置したことを特徴とする。
請求項２記載の構成により、冷媒の圧力による可動子に対向した空隙へのキャン変形を抑えることができるが小さくなるため、冷媒流量を増加することができ、請求項１記載の構成よりも、さらにキャン表面の温度上昇を低減できる。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２記載のキャンド・リニアモータ電機子において、前記電機子巻線を複数の集中巻コイルで構成し、前記集中巻コイルの空心に非磁性材の支柱を設け、前記支柱と前記キャンを締結して構成したことを特徴とする。
請求項３記載の構成により、請求項２記載と同じく、冷媒流量を増加することができ、キャン表面の温度上昇を低減できる。
さらに、請求項４の発明によると、請求項１〜３のいずれか１項記載のキャンド・リニアモータ電機子において、前記キャンおよび前記巻線固定枠を、ガラス繊維又はカーボン繊維を充填した樹脂で構成したことを特徴とする。
請求項４記載の構成により、冷媒の圧力による可動子に対向する空隙へのキャン変形を抑えることができる。請求項２及び３と同じく冷媒流量の増加が図れ、温度上昇を低減することができる。
また、請求項５のキャンド・リニアモータの発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載の電機子と、前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置されると共に交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークとを備え、前記前記電機子と前記界磁ヨークの何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたことを特徴とする。
請求項５記載の構成により、キャンに発生していた渦電流が無くなるので渦電流によるキャン部の発熱のない電機子が得られ、これに界磁ヨークを対向配置させることで発熱のないキャンド・リニアモータを得ることができる。
【０００６】
【発明の実施形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１〜図３を用いて説明する。
図１は本発明の第１の実施例を示すキャンド・リニアモータの全体斜視図である。図において、１００が固定子、１０１が筐体、１０２がキャン、１０３がキャン固定用ボルト、１０４が押え板、１０５が端子台、１０６が冷媒供給口、１０７が冷媒排出口、２００が可動子、２０１が界磁ヨーク支持部材、２０２が界磁ヨーク、２０３が永久磁石である。
可動子２００は、界磁ヨーク支持部材２０１の長さ分の距離を隔てて上下に界磁ヨーク２０２を備え、その四隅に界磁ヨーク支持部材２０１を配置し、界磁ヨーク２０２の互いの対向面に永久磁石２０３をそれぞれ取り付けて成るものである。
そして、可動子２００の中空空間内に固定子１００が挿入され、その場合、永久磁石２０３が固定子１００の電機子１０８と対向するように配置される。可動子２００は、図示しないリニアガイド等によって支持されている。
そこで、所定の電流を電機子巻線１０８に流すと永久磁石２０３の作る磁界との作用により可動子１００に推力が発生し、可動子１０は矢印で示す進行方向に移動することとなる。
【０００７】
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う本発明におけるキャンド・リニアモータの正断面図である。また、図３は図２のキャンを除いた固定子内部の構造を示す。
図２および図３において、固定子１００は、内部を中空とするロの字形（額縁状）の金属製筐体１０１と、このロの字形筐体１０１の中空を覆うため筐体１０１の外形を象（かたちど）った板状のキャン１０２と、キャン１０２を筐体１０１に固定するためのキャン固定用ボルト１０３と、キャン固定用ボルト１０３の通し穴を持ちキャンを均等な荷重でもって押さえるための押え板１０４と、筐体１０１の中空内に配置された３相の電機子巻線１０８と、電機子巻線１０８を固定している巻線固定枠１０９と、筐体１０１とキャン１０２の中を冷媒が通過する冷媒通路１１０と、筐体１０１の縁よりも少し大き目に象られたＯリング１１１と、巻線固定枠１０９と筐体１０１を固定するための巻線固定用ボルト１１２と、により構成されている。そして、キャン１０２の材質は、従来技術ではステンレス製であったが、本発明によって樹脂製とされており、ここでは熱硬化性樹脂である例えばエポキシ樹脂や熱可塑性樹脂である例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用している。
筐体１０１の空洞部の形状は、電機子巻線１０８の外周を囲うように象られている。電機子巻線１０８は板状に形成された巻線固定枠１０９の両面に配置されている。電機子巻線１０８と一体になった巻線固定枠１０９は、筐体１０１の中空内に配置され、巻線固定用ボルト１１２で筐体１０１と固定される。筐体１０１の表裏の縁には、周回した溝が設けられており、そこにＯリング１１１が配置される。そして、筐体１０１にふたをするようにキャン１０２が筐体１０１の表裏に配置される。キャン１０２の上から筐体１０１の縁に沿って押え板１０４が敷かれ、キャン固定用ボルト１０３にて締め付けられ、キャン１０２と筐体１０１は固定される。
電機子巻線１０８は、複数の集中巻コイルを３相分用意したもので構成され、巻線固定枠１０９の左右両側に貼り付けられている。電機子巻線１０８への電力供給は、筐体１０１に取り付けられた端子台１０５から行われる。端子台１０５と電機子巻線１０８はリード線（図示しない）で各々電気的に接続されている。また、冷媒は筐体１０１に設けた冷媒供給口１０６より供給され、冷媒排出口１０７より排出される。その間に、冷媒は電機子巻線１０８とキャン１０２の間にある冷媒通路１１０を流れ、発熱する電機子巻線１０８を冷却する。
【０００８】
一方、可動子２００の進行方向から見た断面形状は、図２に示すように、固定子１００の電機子部を挟み込むようにしてロの字形を成している。可動子２００は、固定子１００のキャン１０２の両側に磁気的空隙を介して配置された永久磁石２０３、永久磁石２０３の作る磁束を通すための磁性体で作られた界磁ヨーク２０２、それらを支持する界磁ヨーク支持部材２０１により構成されている。
また、永久磁石２０３は、可動子の移動方向に沿って（紙面と垂直）、極ピッチごとに交互に異極になるように複数配置されている。
このように構成されたキャンド・リニアモータは、可動子２００と固定子１００の電気的相対位置に応じた所定の電流を電機子巻線１０８に流すことにより、可動子２００となる永久磁石２０３の作る磁界と作用して可動子２００に推力が発生する。
この際、銅損によって発熱した電機子巻線１０８は冷媒通路を流れる冷媒により冷却されるので、従来技術同様、キャン１０２の表面の温度上昇を抑えることができる。
従来技術と異なる第１の実施例による効果は、従来ステンレスを採用していたキャンと巻線固定枠の材質を樹脂にしたことにより、その部分で発生していた渦電流を無くすことができたことである。つまり、渦電流によるキャン部の発熱、粘性制動力による推力低下といった問題を解決できる。速度が速くなったとしても渦電流は発生しないため、速度が速い用途にも使用できる。
また、キャンと巻線固定枠をステンレスから樹脂にただ変更するだけでは、固定子またはその部材自身の強度が劣化する。巻線固定枠は、推力の反作用を受けるため、それに耐えうるだけの強度、もしくは固有振動によって振動しないだけの剛性が必要である。第１の実施例では、金属製の筐体によって固定子自身の剛性を高めるとともに、各樹脂部材の厚さを大きくすることで、この問題を解消している。
【０００９】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図４は、本発明の第２の実施例を示すキャンド・リニアモータの固定子の正断面図である。１００’は本発明による固定子である。固定子１００’は、第１の実施例と同じく、内部を中空とする額縁状金属製筐体１０１と、この筐体１０１の中空を覆う板状の樹脂製キャン１０２ａと、樹脂製キャン１０２ａを筐体１０１に固定するためのキャン固定用ボルト１０３と、キャン固定用ボルト１０３の通し穴を持ちキャンを均等に押さえる押え板１０４と、筐体１０１の中空内に配置された３相の電機子巻線１０８と、電機子巻線１０８を固定している巻線固定枠１０９と、筐体１０１とキャン１０２ａの中を冷媒が通過する冷媒通路１１０と、筐体１０１の縁よりも少し大き目に象られたＯリング１１１と、巻線固定枠１０９と筐体１０１を固定するための巻線固定用ボルト１１２と、により構成されている。
このように第２の実施例における効果は、第１の実施例と同じく、キャン１０２ａを樹脂製と構成したので、渦電流を無くすることができる。
そして、第２の実施例が第１の実施例と違う点は、第１の実施例のキャン１０２が真っ直ぐな板状であったのに対して、第２の実施例のキャン１０２ａは予め湾曲して形成されていることである。すなわち、キャン１０２ａは、冷媒通路１１０に冷媒が流れていないとき、その中央部で電機子巻線１０８にわずかに接触しない程度に予め湾曲した形状に形成されている。冷媒通路１１０に冷媒が流れると、キャン１０２ａはその冷媒による圧力によって中央部が外側に張り出すように変形する。
このようにキャンを予め湾曲させた形状としたことにより、第１の実施例を凌ぐ効果として、冷媒の流量による可動子に対向する空隙へのキャン変形を抑えることができる。したがって第１の実施例よりも冷媒流量を増加でき、温度上昇をより低減することが可能となる。
【００１０】
次に、本発明の第３の実施例を説明する。
図５は、第３の実施例を示すキャンド・リニアモータの固定子の正断面図である。１００”は本発明による固定子である。固定子１００”は、第１および第２の実施例と同じく、内部を中空とする額縁状金属製筐体１０１と、この筐体１０１の中空を覆う板状の樹脂製キャン１０２ｂと、樹脂製キャン１０２ｂを筐体１０１に固定するためのキャン固定用ボルト１０３と、キャン固定用ボルト１０３の通し穴を持ちキャンを均等に押さえる押え板１０４と、筐体１０１の中空内に配置された３相の電機子巻線１０８と、電機子巻線１０８を固定している巻線固定枠１０９と、筐体１０１とキャン１０２ｂの中を冷媒が通過する冷媒通路１１０と、筐体１０１の縁よりも少し大き目に象られたＯリング１１１と、巻線固定枠１０９と筐体１０１を固定するための巻線固定用ボルト１１２と、により構成されている。そして、１１３が電機子巻線１０８の集中巻コイル空心内に設けられた非磁性材の支柱、１１４が支柱固定用ネジである。
第３の実施例が第１及び第２の実施例と違う点は、集中巻コイルの空心内を通る支柱１１３と支柱固定用ネジ１１４にて機械締結されていることである。すなわち、巻線固定枠１０９に固定された支柱１１３により、キャン１０２ｂはその中央で支持されている。冷媒通路１１０に冷媒が流れると、キャン１０２ｂは、支柱１１３と筐体１０１の中間が可動子に対向する空隙へ最も張り出す。
第３の実施例における効果は、第１及び第２の実施例と同じく、渦電流を無くしたことであり、さらに、第１の実施例を凌ぐ効果として、キャンの中央を支柱によって支持したことにより、冷媒の圧力に対する空隙へのキャン変形を抑えることができることである。第１の実施例よりも冷媒流量の増加できるので、第２の実施例と同様、冷媒流量を増加し、温度上昇をより低減することができる。
【００１１】
次に、本発明の第４の実施例を説明する。
第４の実施例は、第１乃至第３の実施例において、キャンおよび巻線固定枠の材質として、ガラス繊維もしくはカーボン繊維を充填した樹脂を用いるようにしたことである。
一般に、一方向にガラス繊維を積層した熱硬化性樹脂（ＧＦＲＰ）のヤング率は約６０，０００Ｎ／ｍｍ² であり、カーボン繊維を積層した熱硬化性樹脂（ＣＦＲＰ）のヤング率は約２０，０００Ｎ／ｍｍ² にもなる。このようにＧＦＲＰやＣＦＲＰはアルミニウムやステンレス鋼並みのヤング率を得ることができるため、キャン変形率の低減、もしくは巻線固定枠の強度向上が可能である。本発明はキャンや巻線固定枠が平板状に形成されていることから、これらの材料を容易に適用することができる。
すなわち、第４の実施例における効果は、第１乃至第３の実施例と同じく、渦電流を無くし、可動子に対向する空隙へのキャン変形を抑えることができる。冷媒流量の増加が図れ、更なる温度上昇低減が可能となることである。
なお、以上の実施例では、可動子に電機子巻線、固定子に界磁とした永久磁石を持つ構造で説明したが、可動子に永久磁石を、固定子に電機子巻線を持つ逆の構造としても良い。
また、可動子の形状をロの字形としたが、従来技術と同じ凹形や片側に永久磁石を並べるだけの構造としても、本発明が成り立つことは言うまでもない。
【００１２】
【発明の効果】
以上説明した本発明の実施例におけるキャンド・リニアモータにより、以下のような効果がある。
（１） 従来渦電流の発生個所であったステンレス製のキャンと巻線固定枠を樹脂製に変更したことにより、渦電流の発生を皆無にした。その際の強度劣化を、金属製の筐体を骨とする構造によって克服できる。
（２） 樹脂製キャンを予め湾曲した形状としたことにより、空隙へのキャン変形を抑えることができる。冷媒流量の増加が可能となり、さらに温度上昇を低減できる。
（３） 樹脂製キャンの中央部を集中コイルの空心を通る支柱によって支持することにより、（２）と同じ効果を得ることができる。
（４） キャンと巻線固定枠の材質をヤング率の高いガラス繊維もしくはカーボン繊維を充填した樹脂を使うことにより、さらに（２）（３）の効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すキャンド・リニアモータの全体斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿うキャンド・リニアモータの正断面図
【図３】図２のキャンを取り除いた固定子内部の構造を示す図
【図４】本発明の第２の実施例を示すキャンド・リニアモータの固定子の正断面図
【図５】本発明の第３の実施例を示すキャンド・リニアモータの固定子の正断面図
【図６】従来技術を示すキャンド・リニアモータの全体斜視図
【図７】図６のＡ−Ａ線に沿うキャンド・リニアモータの正断面図
【符号の説明】
１０、１００ 固定子
１０１ 筐体
１１ 固定子ベース
１２、１０２、１０２ａ、１０２ｂ キャン
１３ ヘッダ
１４、１０６ 冷媒供給口
１５、１０７ 冷媒排出口
１６、１０９ 巻線固定枠
１７、１０８ 電機子巻線
１８、１１０ 冷媒通路
１０３ キャン固定用ボルト
１０４ 押え板
１０５ 端子台
１１１ Ｏリング
１１２ 巻線固定用ボルト
１１３ 支柱
１１４ 支柱固定用ネジ
２０、２００ 可動子
２１ 可動子ベース
２２、２０２ 界磁ヨーク
２３、２０３ 永久磁石
２０２ 界磁ヨーク支持部材

Claims (4)

1. 巻線固定枠と、前記巻線固定枠の長手方向に沿って固定される電機子巻線と、前記巻線固定枠を額縁状に囲むように設けた金属製の筐体と、前記筐体の両開口部を密封する樹脂製のキャンと、前記電機子巻線の周囲に冷媒を流すことができるように前記筐体と前記キャンとで構成される密閉空間内に形成される冷媒通路と、前記キャンの両端のうち一方端側と他方端側の何れかに設けた冷媒供給口と冷媒排出口とを具備してなるキャンド・リニアモータ電機子において、
   前記キャンを予め湾曲させて、前記湾曲の凸面が互いに対向するように前記キャンを前記筐体の両開口部に配置したことを特徴とするキャンド・リニアモータ電機子。
2. 前記電機子巻線を複数の集中巻コイルで構成し、前記集中巻コイルの空心に非磁性材の支柱を設け、前記支柱と前記キャンを締結して構成したことを特徴とする請求項１記載のキャンド・リニアモータ電機子。
3. 前記キャンおよび前記巻線固定枠を、ガラス繊維又はカーボン繊維を充填した樹脂で構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のキャンド・リニアモータ電機子。
4. 請求項１〜３の何れか１項記載の電機子と、前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置されると共に交互に極性が異なる複数の永久磁石を隣り合わせに並べて配置した界磁ヨークとを備え、前記電機子と前記界磁ヨークの何れか一方を固定子に、他方を可動子として、前記界磁ヨークと前記電機子を相対的に走行するようにしたことを特徴とするキャンド・リニアモータ。

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