JP4372319B2

JP4372319B2 - リニアモータとその製造方法

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Publication number: JP4372319B2
Application number: JP2000227196A
Authority: JP
Inventors: 嘉範大西
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JP2002044932A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固定体に対して移動体を相対移動させるリニアモータとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のコイルが巻き付けられた鉄心の磁極が所定ピッチで配列されたコイル側リニアモータと、このコイル側リニアモータに隙間（エアギャップ）を開けて対向する永久磁石が所定ピッチで配列された磁石側リニアモータとを有する３相交流同期式リニアモータが知られている。このような３相交流同期式リニアモータでは、組み合わせるコイル（磁極鉄心）の数と磁石の数との比によってコギングやトルクリップルが少なくなるために、これらの比によっては隣り合う磁極鉄心間の間隙部を狭くする必要なくなり、極歯先端部を厚くする必要がなくなる。
【０００３】
通常、工作機械などの制御軸の送り装置にリニアモータを採用する場合には、リニアモータのエアギャップに切削屑などが入り込まないように、リニアモータが密閉空間内に設置される。その結果、コイルから発生する熱が逃げ難くなるために、工作機械の構成部品が熱膨張して移動軸の制御位置が熱変位し、加工精度が低下することがあった。このように、リニアモータでは、コイルの発熱を効率よく冷却することが解決すべき重要な課題であった。
【０００４】
そこで、特開昭６３−１５７６４３号公報には、駆動用電磁石のコイル部に接する冷却用配管を設け、この冷却用配管内を流れる熱伝送媒体によってコイル部に発生する熱を除去するリニアモータが開示されている。また、特開平９−２３８４４９号公報には、駆動用コイルを冷却する冷却手段を駆動コイル毎に設けたリニアモータが開示されている。これらのリニアモータは、いずれもコイルの発熱を冷媒によって冷却するために、冷却効率を向上させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のリニアモータでは、工作機械などに採用される場合においてなお不十分であった。冷却配管が、各コイルの間にあって、各コイルに全面に渡って直接当接していないからである。それで、従来の冷却構造をそのまま採用しても十分な冷却効率を得ることができなかった。
【０００６】
この発明の課題は、製作や組立が容易であってコイルの発熱を効率よく抑えることができるリニアモータとその製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定するものではない。
請求項１の発明は、基板（３）上に所定の間隔を開けて形成された磁極鉄心（４ａ）と、前記磁極鉄心に嵌め込まれた絶縁筒（５）と、前記絶縁筒に巻き付けられたコイル（６）と、前記コイルを冷却する冷却液が流れる冷却配管（７）とを含み、前記磁極鉄心は、基部（４ｂ）側から前記磁極鉄心（４ａ）の先端部側に向かって厚みが薄くなるテーパ面（４ｃ，４ｄ）を有し、前記絶縁筒は、前記磁極鉄心のテーパ面と傾斜角度が略同一のテーパ面（５ｃ，５ｄ）を有し、前記コイルは、前記絶縁筒のテーパ面に略均一な厚さで巻き付けられ、前記冷却配管は、隣り合う前記コイルの間隙部に略密着した状態で嵌め込まれる渡し配管（７１）と、前記渡し配管の一方の端部に前記冷却液を供給する供給配管（７２）と、前記渡し配管の他方の端部から前記冷却液を回収する回収配管（７３）とを含むことを特徴とするリニアモータ（１）である。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載のリニアモータにおいて、前記供給配管及び前記回収配管の断面積が、前記渡し配管の断面積よりも大きいことを特徴とするリニアモータである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１から請求項２までのいずれか１項に記載のリニアモータの製造方法であって、前記冷却管をあらかじめ井桁状に形成する工程と、前記基板上に所定の間隔を開けて前記磁極鉄心を形成する工程と、前記絶縁筒に前記コイルを巻き付ける工程と、前記コイルが巻き付けられた前記絶縁筒を前記磁極鉄心に嵌め込む工程と、隣り合う前記コイルの間隙部に前記冷却管の前記渡し配管を嵌め込む工程と、組み込まれた前記コイルおよび前記冷却管とともに前記磁極鉄心（４ａ）をモールドする工程と、
を含むリニアモータ（１）の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係るリニアモータの平面図である。図２は、この発明の実施形態に係るリニアモータの一部を切り欠いて示す側面図である。図３は、図１のIII-III線で切断した状態を示す断面図である。図４は、図２のIV部分を拡大して示す側面図である。図５は、この発明の実施形態に係るリニアモータを分解した状態を示す図であり、図５（Ａ）は斜視図であり、図５（Ｂ）は断面図である。
【００１１】
リニアモータ１は、固定体に対して移動体を相対移動させるための推力を発生する装置である。リニアモータ１は、所定ピッチで永久磁石が配列された図示しない磁石側リニアモータと、コイル側リニアモータ２とから構成されている。この実施形態では、コイルに３相交流が供給されるリニアモータが例示され、コギングが少なくなるように、コイルの個数と永久磁石の個数とが９：８になるように構成されている。
【００１２】
コイル側リニアモータ２は、磁石側リニアモータを相対移動させるための推力を発生する装置である。コイル側リニアモータ２は、磁石側リニアモータとの間に隙間を開けて対向して配置されている。コイル側リニアモータ２は、図１〜図５に示すように、ベースプレート３と、鉄心４と、絶縁筒５と、コイル６と、冷却配管７と、磁気センサ８とを備えている。
【００１３】
ベースプレート３は、鉄心４を固定する基板である。ベースプレート３は、通常の鋼板で、その両縁部には、図１に示すように、コイル側リニアモータ２を固定するためのボルトを挿入する座ぐり穴３ａが形成されている。
【００１４】
鉄心４は、ベースプレート３上に所定の間隔を開けて形成される極歯４ａを備えた部材である。鉄心４は、例えば、薄板状の珪素鋼鈑などの電磁鋼鈑を櫛歯形状に打ち抜いて、これらを積層して一体化したものであり、ベースプレート３との当接面に形成したタップ穴を利用してベースプレート３上に固定・一体化される。鉄心４は、図４に示すように、磁石側リニアモータの永久磁石と対向する極歯４ａと、ベースプレート３に固定される基部４ｂとを備え、極歯４ａの側面に基部４ｂ側から極歯４ａの先端側に向かって厚みが薄くなるテーパ面４ｃ，４ｄが形成されている。したがって、各極歯４ａは、断面形状が略台形であり、極歯４ａの先端側が僅かに厚みが薄いテーパ状の歯に形成されている。この実施形態では、基部４ｂ上に極歯４ａが９個配列されており、これらの極歯４ａと対向する永久磁石が８個配列される。その結果、隣り合うコイル６間の間隙部を狭くしなくてもコギングが減少するために、僅かに側面が傾斜したような単純な形状に極歯４ａを形成することができる。また、この実施形態では、極歯４ａの両側に対称なテーパ面を形成する場合には、テーパ面のこう配をそれぞれ１／７０〜１／３５程度にすることが好ましく、極歯４ａの片側のみにテーパ面を形成する場合には、このテーパ面のこう配を１／３５〜２／３５程度にすることが好ましい。極歯４ａとしては厚みが均一であるほうが好ましく、テーパ面４ｃ，４ｄを形成しないほうが好ましいが、後に説明するようにコイル６と冷却配管７とを広い面積で密着させるために、テーパ面４ｃ，４ｄに所定の傾斜角度が形成されている。テーパ面４ｃ，４ｄは対称に形成してもよいし非対称に形成してもよい。この実施形態では、テーパ面４ｃ，４ｄが極歯４ａに形成されているために、次に詳述する絶縁筒５を鉄心４に簡単に挿入することができる。
【００１５】
絶縁筒５は、鉄心４に嵌め込まれる筒状の絶縁体（インシュレータ）である。絶縁筒５は、図４及び図５に示すように、開口端に形成されたフランジ部（鍔部）５ａ，５ｂと、テーパ面４ｃ，４ｄと傾斜角度が略同一のテーパ面５ｃ，５ｄとを備えている。絶縁筒５は、断面形状が略長方形の薄肉の成形品である。絶縁筒５は、例えば、液晶ポリマー樹脂などのように、鉄心４とコイル６とを電気的に絶縁するとともに軟化温度の高い材料で成形することが好ましい。絶縁筒５は、２枚１組の断面Ｕ字状の成形品（分割品）を組み合わせて一体に形成してもよい。
【００１６】
コイル６は、絶縁筒５に巻き付けられる部材である。コイル６は、図４及び図５に示すように、絶縁筒５のテーパ面５ｃ，５ｄに略均一な厚さで巻き付けられており、コイルの外形寸法がテーパ面４ｃ，４ｄ，５ｃ，５ｄと同様にテーパ状になるように巻き付けられている。コイル６は、１つの鉄心４に巻き付けられた部分がいずれか１つの相となる単相巻きコイルである。コイル６は、所定の巻数で高密度に絶縁筒５に巻き付けらた状態で、絶縁筒５とともに鉄心４に嵌め込まれる。この実施形態では、絶縁筒５のテーパ面５ｃ，５ｄに自動巻線機によってコイル６を簡単に巻き付けることができるとともに、所定の巻数や外形寸法に正確に品質管理することができる。また、この実施形態では、コイル６が予め絶縁筒５に巻き付けられた状態で、絶縁筒５が極歯４ａ先端から嵌め込まれるので、コイル６に傷が付くのを防止することができる。さらに、この実施形態では、コイル６が高密度に巻線されるので、３個の鉄心毎に巻線する従来の３相式リニアモータの推力に比べて推力の低下を抑えることができる。
【００１７】
図６は、この発明の実施形態に係るリニアモータの結線状態を示す平面図である。
例えば、３相交流式リニアモータの場合には、図６に示すように、９個の極歯４ａにコイル６がそれぞれ巻き付けられ結線される。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相線が順次それぞれのコイル６に結線されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイル６がＵ，Ｖ，Ｗ，Ｕ，Ｖ，Ｗ，…の順に各極歯４ａに配列される。コイル６の他端側は、一つにまとめられて接続される。３相線は、３相入力線ケーブル６ａに結合されてコイル側リニアモータ２の外部に引き出され、３相入力線ケーブル６ａの先端部には図示しないモータ駆動装置に接続されるコネクタ６ｂが取り付けられている。もちろん、ケーブル６ａの保護接地線も基部４ｂに接続される。
【００１８】
図７は、この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の斜視図である。図８は、この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の正面図である。図９は、この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の背面図である。図１０は、この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の断面図である。図１１は、この発明の実施形態に係るリニアモータの渡し配管の断面図である。図１２は、この発明の実施形態に係るリニアモータの渡し配管を分解した状態を示す断面図である。
【００１９】
冷却配管７は、コイル６を冷却する冷却液が流れる管路である。冷却配管７は、図７〜図１０において後に詳述するように、渡し配管７１と、供給配管７２と、回収配管７３と、それらに接続するマニホールド７４，７５と、供給配管７２と回収配管７３との間で連通する渡し配管７１とを備えている。冷却配管７の材質は、銅あるいはアルミニウムにするとよい。冷却配管７が銅であれば、熱容量が大きく冷却効率に優れコストが安い水などを冷却液としてそのまま使用することができる。また、冷却配管７がアルミニウムであれば、腐食防止のために油性の冷却液が使用される。ただし、例えば、ニッケルなどによって冷却配管７の内周面をめっきする場合には、水を冷却液に使用できる。
【００２０】
渡し配管７１は、隣り合うコイル６の間隙部においてコイル６に密着した状態で嵌め込まれる配管である。渡し配管７１は、図１１に示すように、断面形状が略扁平であり、アルミニウムの押し出し成型材によって、あるいは、図１２に示すように、銅などからなる絞り引き抜き成形材を互いに溶着して形成される。渡し配管７１は、図１０及び図１１に示すように、第１流路７１ａと、第２流路７１ｂと、隔壁７１ｃと、テーパ面７１ｄ，７１ｅとを備えている。第１流路７１ａは、図４に示すように、鉄心４の極歯４ａ先端部側に沿って冷却液を流す流路であり、第２流路７１ｂは、鉄心４の基部４ｂ側に沿って冷却液を流す流路である。第１流路７１ａ及び第２流路７１ｂは、図１１に示すように、いずれも断面形状が略台形であり、それぞれの断面積は略等しい。熱伝導度の大きい材料を使用するので、それぞれの流路に等しく冷却液が流れさえすればよい。隔壁７１ｃは、渡し配管７１の補強部材として機能するものである。小型のリニアモータにあっては渡し配管７１が小さいので、隔壁７１ｃが必ずしも必要ではない。テーパ面７１ｄ，７１ｅは、コイル６と略緊密に密着する部分である。テーパ面７１ｄ，７１ｅは、基部４ｂ側から極歯４ａの先端側に向かって厚くなるように形成されており、テーパ面４ｃ，４ｄ，５ｃ，５ｄの傾斜方向とは逆方向に傾斜している。この実施形態では、テーパ面７１ｄ，７１ｅのこう配を１／７０〜１／３５程度にすることが好ましい。
【００２１】
供給配管７２は、渡し配管７１の一方の端部に冷却液を供給する配管であり、回収配管７３は、渡し配管７１の他方の端部から冷却液を回収する配管である。供給配管７２及び回収配管７３には、図７に示すように、これらの間にコイル６と密着可能な間隔で渡し配管７１がろう付けされ固定されている。供給配管７２及び回収配管７３は、図１０に示すように、断面形状が略長方形に形成されており、その材質がアルミニウム、あるいは銅などからなる。供給配管７２及び回収配管７３は、図７に示すように、一方の端部にマニホールド７４，７５が接続されており、他方の端部が閉鎖されている。供給配管７２及び回収配管７３の断面積は、図１０に示すように、渡し配管７１の断面積よりも大きく、供給配管７２及び回収配管７３は渡し配管７１よりも管路が十分に太く形成されている。こうすることによって、各渡し配管７１に供給される冷却液量のむらができるだけ生じないようにしている。
【００２２】
図７に示すマニホールド７４は、供給配管７２に冷却液を供給する柱状体であり、マニホールド７５は、回収配管７３から冷却液を集合して回収する柱状体である。マニホールド７４，７５には、図１に示す配管接続金具７４ａ，７５ａを装着するための図示しない雌ねじ部が形成されており、この雌ねじ部を含む下穴を通して供給配管７２に冷却液を供給したり冷却配管７３から冷却液を回収したりする。マニホールド７４，７５は、渡し配管７１がコイル６の間で密着する高さ位置に止まり、後述するモールド樹脂によって固定される。
【００２３】
以上説明した実施形態では、隣り合う極歯４ａの先端の間隙部を狭くする必要がなく、かつ、極歯４ａやコイル６を単純な形状に形成することができるようにコイルと磁石の比が選定されているために、冷却配管７の断面形状を単純な形状にすることができる。それで、図７で示されるように、あらかじめ、冷却管７を上記部材によって井桁状に組み上げておいて、この冷却管７を極歯４ａの先端側から挿入することによって、冷却配管７をコイル６の間に簡単に組み込むことができ、コイル６に冷却管７を全面で密着させることができる。そして、冷却管７がコイル６に密着すると、冷却配管７が鉄心４に対して所定の高さに位置して、冷却配管７と基部４ｂとの間に配線が可能なような間隙が形成される。
【００２４】
なお、図１に示す磁気センサ８は、コイル側リニアモータ２に対する磁石側リニアモータの相対位置を検出する装置である。磁気センサ８は、通常、２次側部材が永久磁石列を有する３相式リニアモータの場合には、コイル側と永久磁石列との相対位置を検出して位置検出信号をフィードバックする。磁気センサ８は、検出線８ａを介してコネクタ８ｂに接続されている。
【００２５】
次に、この発明の実施形態に係るリニアモータの製造方法を説明する。
まず、ベースプレート３上に鉄心４が一体に固定されて所定の間隔を開けて磁極４ａが配置される。次に、コイル６が巻き付けられた絶縁筒５が磁極鉄心４ａに嵌め込まれる。コイル６の電気配線は、隣り合う磁極４ａの間隙部や側面に沿ってベースプレート３上で配線されて３相入力線に結合される。コイル６の他端の電気配線は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相線毎にまとめられて短絡される。３相入力線は、１本の３相入力線ケーブル６ａに収容されて外部に引き出されコネクタ６ｂに接続される。
【００２６】
あらかじめ、渡し配管７１、供給配管７２及び回収配管７３などを井桁状に組み立てた冷却配管７は、渡し配管７１が隣り合うコイル６の間隙部に嵌め込まれるようにして、極歯４ａの先端側から挿入される。その結果、コイル６と渡し配管７１のテーパ面７１ｄ，７１ｅとが略全面で密着した状態でベースプレート３上に冷却配管７が取り付けられる。このときに、ベースプレート３と冷却配管７との間の間隙部に電気配線が位置し、３相入力線ケーブル６ａが外部に引き出される。
【００２７】
以上のように組み付けられたベースプレート３上に型枠が設置されて、鉄心４、コイル６及び冷却配管７などが型枠内に収容された後に、鉄心４の極歯４ａ先端が埋没するまでモールド樹脂が注入される。この実施形態では、反応硬化後に金属との間に優れた接着性を示すとともに、電気絶縁性が高く機械的強度が大きく寸法安定性があり、高温時にこれらの特性の低下が少ない熱硬化性樹脂であるエポキシ系樹脂などを使用することが好ましい。次に、鉄心４、コイル６及び冷却配管７などがモールド樹脂に埋没した状態で加熱されると、モールド樹脂が流動性を増して隅々に行き渡り、やがて反応し硬化する。例えば、エポキシ系樹脂は、５０°Ｃ程度になると溶融して流動性が増し、コイル６と冷却配管７との間の間隙部に浸透して、１５０°Ｃ程度に加熱すると硬化してコイル６や冷却配管７に接着し一体化する。モールド樹脂が硬化し冷却した後に、フライス盤などによってモールド樹脂の上面が所定の寸法に切削されて平滑になる。この実施形態では、このような工程によってコイル側リニアモータ２を組み立てるために、コイル６の発熱を効率よく冷却可能なリニアモータ１を一定の品質で容易に量産することができる。
【００２８】
この発明の実施形態に係るリニアモータには、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、磁極鉄心４ａのテーパ面４ｃ，４ｄと傾斜角度が略同一のテーパ面５ｃ，５ｄを有する絶縁筒５に、略均一な厚さでコイル６が巻き付けられており、冷却液が流れる渡し配管７１が隣り合うコイル６の間隙部に略密着した状態で嵌め込まれている。その結果、リニアモータ１の推力を低下させずに、コイル６を効率よく冷却することができる。また、この実施形態では、冷却配管７の断面形状が略扁平に形成され、冷却配管７とコイル６とが略全面で接触可能なようにこれらがテーパ状に形成されているために、磁極鉄心４ａの先端部がより効果的に冷却されて冷却効率を向上させることができる。
【００２９】
(2) この実施形態では、供給配管７２及び回収配管７３の断面積が渡し配管７１の断面積よりも大きいために、各渡し配管７１の第１流路７１ａ及び第２流路７１ｂを流れる冷却液の流量に差が生じないようにすることができる。
【００３０】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形態では、３相交流同期式リニアモータを例に挙げて説明したが、これに限定するものではなく、移動体が永久磁石を備えず単なる誘導体である誘導形についても、コイル側リニアモータ２と同様の構成にすることができる。また、この実施形態では、一つの隔壁７１ｃによって冷却配管７内を区画した場合を例に挙げて説明したが、隔壁７１ｃを省略して冷却配管７内に１つの管路を形成してもよいし、２枚以上の隔壁によって冷却配管７内を区画してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、極歯鉄心のテーパ面と傾斜角度が略同一のテーパ面を有する絶縁筒に、略均一な厚さでコイルが巻き付けられており、冷却液が流れる渡し配管が隣り合うコイルの間隙部に略密着した状態で嵌め込まれているので、コイルの発熱を効率よく抑えることができる。
加えて、冷却配管７をあらかじめ井桁状に形成しておいて、これをコイルの間に挿入するので、冷却配管を容易に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係るリニアモータの平面図である。
【図２】この発明の実施形態に係るリニアモータの一部を省略して示す側面図である。
【図３】図１のIII-III線で切断した状態を示す断面図である。
【図４】図２のIV部分を拡大して示す側面図である。
【図５】この発明の実施形態に係るリニアモータを分解した状態を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は断面図である。
【図６】この発明の実施形態に係るリニアモータの結線状態を示す平面図である。
【図７】この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の斜視図である。
【図８】この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の正面図である。
【図９】この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の背面図である。
【図１０】この発明の実施形態に係るリニアモータの冷却配管の断面図である。
【図１１】この発明の実施形態に係るリニアモータの渡し配管の断面図である。
【図１２】この発明の実施形態に係るリニアモータの渡し配管を分解した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１リニアモータ
２コイル側リニアモータ
３ベースプレート（基板）
４鉄心
４ａ極歯
４ｂ基部
４ｃ，４ｄテーパ面
５絶縁筒
５ｃ，５ｄテーパ面
６コイル
７冷却配管
７１渡し配管
７１ａ第１流路
７１ｂ第２流路
７１ｄ，７１ｅテーパ面
７２供給配管
７３回収配管

Claims

基板上に所定の間隔を開けて形成された磁極鉄心と、
前記磁極鉄心に嵌め込まれた絶縁筒と、
前記絶縁筒に巻き付けられたコイルと、
前記コイルを冷却する冷却液が流れる冷却配管とを含み、
前記磁極鉄心は、該磁極鉄心の基部側から該磁極鉄心の先端部側に向かって厚みが薄くなるテーパ面を有し、
前記絶縁筒は、前記磁極鉄心のテーパ面と傾斜角度が略同一のテーパ面を有し、
前記コイルは、前記絶縁筒のテーパ面に略均一な厚さで巻き付けられ、
前記冷却配管は、
隣り合う前記コイルの間隙部に略密着した状態で嵌め込まれる渡し配管と、
前記渡し配管の一方の端部に前記冷却液を供給する供給配管と、
前記渡し配管の他方の端部から前記冷却液を回収する回収配管とを含むこと、
を特徴とするリニアモータ。
請求項１に記載のリニアモータにおいて、
前記供給配管及び前記回収配管の断面積は、前記渡し配管の断面積よりも大きいこと、
を特徴とするリニアモータ。
請求項１から請求項２までのいずれか１項に記載のリニアモータの製造方法であって、
前記冷却管をあらかじめ井桁状に形成する工程と、
前記基板上に所定の間隔を開けて前記磁極鉄心を形成する工程と、
前記絶縁筒に前記コイルを巻き付ける工程と、
前記コイルが巻き付けられた前記絶縁筒を前記磁極鉄心に嵌め込む工程と、
隣り合う前記コイルの間隙部に前記冷却管の渡し配管を嵌め込む工程と、
組み込まれた前記冷却管とともに前記コイルおよび前記磁極をモールドする工程と、
を含むリニアモータの製造方法。