JP4527826B2 - 高推力リニアモータ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電機子コイルと磁界マグネットとを直線方向に延在させ、電機子コイルによる電気エネルキーを磁界マグネットを介して高推力で直接直線的な運動エネルギーに変換する高推力リニアモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
磁力のもつ反発力や吸引力を利用して電気エネルギーを直接直線的な運動エネルギーに変換するリニアモータがある。このリニアモータは、例えば、コイルを巻回した電機子コイル(電磁石)の可動部と、ガイドに沿って磁界マグネット(永久磁石)を並べた固定部とを備え、電機子コイルと磁界マグネットとの間の反発力や吸引力を利用して可動部を固定部側であるガイドに沿って直線的に走らせ、電気エネルキーを直線的な運動エネルギーに変換するものである。
【0003】
かかるリニアモータには、電機子コイルを無鉄心形(コアレス形)にするタイプと有鉄心形にするタイプがある。
そして、無鉄心形(コアレス形)の電機子コイルは、巻回したコイルのみのもので、無鉄心形のリニアモータは、可動部の移動中に生ずる磁気抵抗の変化による移動ムラ(コギング)が少なく、無鉄心なので軽量であり、一般的に小形のリニアモータに用いられる場合が多い。
【0004】
一方、有鉄心形のリニアモータは、コアレス形の空心形電機子コイルの中に鉄心(磁性部材、コア)を入れるだけで2〜3倍の推力が得られることから高推力のリニアモータに用いられる場合が多い。また、かかる磁性部材に複数のスロット(溝)を形成し、このスロットにコイルを多数巻き付けて電機子コイルを構成し、電機子コイルの有効導体部を磁界マグネット側に対向させたタイプは、スロット内に多数のコイルが巻回できるので、更に高推力が得られることも知られている。
【0005】
すなわち、リニアモータを作成する場合、(1) 有鉄心形で、(2) スロットを形成し、(3) スロット内にコイルを多数巻回する、と高推力が得られることが知られている。
【0006】
次に、スロットにコイルを巻回した従来の有鉄心形のリニアモータを説明する。この有鉄心形のリニアモータは、3相駆動方式のものであり、図9の正面図に示すように、可動部1と固定部2とを備えている。
【0007】
可動部1は、図10の縦断面図に示すように、コア1aとコア1aの上面に固定されたテーブル1bとコイルC1,C2,C3 とから構成されている。コア1aにはスロット(溝)Sが形成され、異なる位置のスロットS間にわたって予め巻回されたコイルC1,C2,C3 が挿入されている。そして、コア1aとコイルC1,C2,C3 により電機子コイルを形成する。なお、予め巻回されたコイルC1,C2,C3 を挿入する理由は組立を容易にするためである。そして、コイルC1,C2,C3の挿入順は、スロットSの最奥部に隣接してU相コイルC1、W相コイルC2、V相コイルC3、…の順で挿入した後、スロットSの最奥部に挿入した相と電気角が異なるように、V相コイルC3 をU相コイルC1とW相コイルC2に重ね、あるいはU相コイルC1をW相コイルC2とV相コイルC3 に重ねてスロットS同士にわたって挿入する。
【0008】
一方、固定部2は、図9及び図10に示すように、ヨーク2aと磁界マグネット(永久磁石)2bとから構成され、ヨーク2aと磁界マグネット2bは可動部1に対向するように直線方向に延在している。
そして、コイルC1,C2,C3 に通電すると、電流が図11の矢印方向に流れて磁束が生じ、対向する永久磁石2bとの間で反発力あるいは吸引力が働き、図10及び図11の左方向あるいは右方向に推力が発生して可動部1が移動可能になる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の有鉄心形タイプでリニアモータの小形化を考えた場合、コア(有鉄心)の重量に比してコイルを巻回する量が多く取れないので、同じ重量の無鉄心形タイプに比して推力が劣るといった問題があり、小形のリニアモータを有鉄心形にする上で障害となっていた。
【0010】
また、従来の有鉄心形のリニアモータは、コイルを巻回する際、U相コイルC1とW相コイルC2を挿入した後、U相コイルC1とW相コイルC2の中間にV相コイルC3 を上から挿入しているので、コイル相互で重畳する部位が生じ、磁界の相対移動が円滑でないといった問題があった。
【0011】
一方、予め巻回されたコイルC1,C2,C3 を相(電気角)をずらして挿入すると、図10に示すように、コア1aの端側のスロットSにコイルが巻回されていない空白スペースが生じてしまい、その分、コア1aに巻回するコイルの巻き量が少なくなるので、高推力が得られないといった問題が生じる。
【0012】
以上から本発明は、前記問題点に鑑み創案されたものであり、有鉄心の重量に比してコイルの巻回量が多く取れて推力が高く、可動部の直線移動も滑らかな高推力リニアモータを提供することを技術的課題とする。
【0013】
また、本発明は、コイルが巻回されていない空白スペースがスロットに生じないようにコイルが巻回できる高推力リニアモータの製造方法を提供することを技術的課題とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の高推力リニアモータ及びその製造方法は、前記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【0015】
すなわち、本発明の高推力リニアモータは、軸方向に対して交差する方向のスロットが両側にかつ互いに対応し前記軸方向に沿って複数形成された磁性部材と、前記対応する両側のスロットにわたって巻回されたコイルと、このコイル各々の有効導体部に対向し得るように前記磁性部材の両側に前記軸方向で延在し、前記軸方向で多極着磁された磁界マグネットと、を備えたことを特徴とする。
【0016】
この構成によれば、磁性部材の両側にスロットを形成し、両側にわたってコイルが巻回できるので、コイルのスペース効率(密度)が大きく、従来の有鉄心形リニアモータに比して高い推力が得られる。従って、有鉄心形リニアモータの小形化が可能になる。
【0017】
また、本発明においては、前記コイルは複数相を有し、前記スロットに巻回されて隣り合う前記相の電気角が異なるように巻回するように構成される。この構成によれば、分布巻きタイプと同等の円滑な作動状態が得られる。
【0018】
また、本発明に係る高推力リニアモータは、前記磁性部材及び前記コイルの有効導体部を除き、前記磁性部材及び前記コイルの周囲の略全域にわたって覆うカバー部材を有する。この構成によれば、磁性部材の略全域にコイルを巻回した機電子を覆うカバー部材と他の可動部分であるテーブル等とを固定することで、前記機電子がテーブル等と直接接触することなく、カバー部材を介してテーブル等に確実に固定(取り付け)することができる。
【0019】
更に、前記カバー部材を前記磁性部材及び前記コイルの周囲の略全域にわたってそれぞれ配置された一対のカバーに分け、この一対のカバー同士を一体的に連結する連結手段を設けた構成を採用しているので、磁性部材及びコイルをカバー部材に固定(取り付ける)作業が容易になる。
【0020】
更にまた、前記連結手段を熱伝導率が高い材質とし、前記磁性部材に当接または近接して配置することで、前記連結手段が放熱器として作用し、コイルの発熱を磁性部材に貯めることなく、外部へ放熱できる。従って、磁性部材が加熱された時生じる推力の低下を防止できる。なお、熱伝導率が高い材質としては、アルミ等の金属製の材質が好ましい。
【0021】
更にまた、前記磁性部材及び前記コイルと前記カバー部材との間に非磁性材を充填することで、磁性部材、コイル、およびカバー部材が密着した状態で一体化される。従って、磁性部材、コイル、およびカバー部材が直線的に移動または停止してもそれぞれが形くずれしないので、可動部として好適なものとなる。
【0022】
また、本発明の高推力リニアモータの製造方法は、軸方向に対して交差する方向のスロットが、両側にかつ互いに対応し前記軸方向に沿って複数形成されている磁性部材に対し、コイルを巻回する高推力リニアモータの製造方法であって、前記両側に互いに対応するスロット同士にわたって、前記磁性部材を回転させながら、前記コイルを巻回することを特徴とする。
【0023】
この構成によれば、従来のように予め巻回したコイルをスロットに挿入するのではなく、スロットに直接巻回することで、コイルが巻回されていない空白スペースがスロットに生じない。従って、分布巻きタイプと同等の円滑な作動状態が得られると共に、スペース効率を大きくできて高推力が得られる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る高推力リニアモータを図1〜図6に基づいて詳細に説明する。
【0025】
〈高推力リニアモータの構造〉
高推力リニアモータは、図1の横断面図に示すように、可動部10と固定部20とリニアガイド30とリニアエンコーダ40とを備えている。そして、可動部10はリニアガイド30を介して固定部20と直線方向に摺動自在に連結している。また、リニアエンコーダ40は可動部10側に固定されたセンサ可動部41と固定部20側に沿って固定されたリニアスケール42とを有し、可動部10の移動位置を検出する。
【0026】
可動部10は、図2に示すように、コイルC1,C2,C3 を巻回した磁性部材(コア)11と、このコア11およびコイルC1〜C3の有効導体部Cb(図6参照)を除き略全体的に覆う一対の側面コアカバー12及び上面コアカバー13と、この側面コアカバー12及び上面コアカバー13にコア11を固定する際に用いるカバー取付板(連結手段)14と、被搬送物を載置するテーブル15と、を備えている。
【0027】
コア11は、電磁鋼板の薄板を打ち抜いて形成されたものを重ね合わせて作成したものである。このコア11は、図3に示すように、軸方向に対して交差する方向の両側に突出した鉄の部分の歯(突極)Tと、この歯Tと歯Tとの間に形成されたスロットSとが、複数・交互に形成されている。
【0028】
コイルC1,C2,C3 は、図2及び図4に示すように、U相C1、W相C2、V相C3 の3相で構成され、対応する両側のスロットS同士に渡って交互に巻回されている。従って、この実施の形態の高推力リニアモータは3相駆動方式である。そして、U相C1、W相C2、V相C3 は隣り合う相の電気角が異なるようにU相C1、W相C2、V相C3 の順にスロットSに巻回されている。なお、図2及び図4において相を示すアルファベット文字の上に「−」を付したものは、コイルの巻回方向が隣接する相と反対方向であることを意味する。そして、コア11に巻回されたコイルC1,C2,C3 は、1磁極の幅Pmに対し3分の1ピッチずらした3相配置形機電子となっている。また、コイルC1,C2,C3 は、図6に示すように、その上端部と下端部に当たる推力に寄与しない無効導体部Ca,Caと、その側面部に当たる推力に寄与する有効導体部Cbとに分けられる。
【0029】
側面コアカバー12及び上面コアカバー13は一対のカバーを構成し、アルミ系材質で形成されている。そして、側面コアカバー12は、3相配置形機電子(コア11及びコイルC1,C2,C3 )の前部・底部・後部を覆うように、側断面がコ形状を有している。一方、上面コアカバー13は、3相配置形機電子の頂部を覆う平板形状を有している。また、上面コアカバー13は上面の長手方向中央部に溝13aが形成されており、この溝13aには冷却パイプ16が収納される。
【0030】
側面コアカバー12及び上面コアカバー13は図2及び図4に示すように、コア11の4隅のスロットSに挿入された4本のカバー取付板(連結手段)14を介して固定される。すなわち、4本のカバー取付板14は下部が側面コアカバー12に止めねじで固定され、上部が上面コアカバー13に止めねじで固定される。なお、カバー取付板14は熱伝導率が高い、アルミ系材質で形成されている。
【0031】
側面コアカバー12及び上面コアカバー13と3相配置形機電子との間には、非磁性材であるエポキシ樹脂が充填されて樹脂モールドMが形成されている。この樹脂モールドMにはコイルの無効導体部Caも含まれる。そして、エポキシ樹脂の充填により、側面コアカバー12及び上面コアカバー13と3相配置形機電子が密着した状態で一体化されている。
【0032】
冷却パイプ16は、外形がU字形状に形成され、上面コアカバー13上面の溝13a内に収納されている。冷却パイプ16の両先端は、可動部10の軸方向の一端に設けられた継手取付板19を介して継手(ハーフユニオン)18,18と接続している。継手18,18はそれぞれ冷却配管17,17と接続している。冷却配管17は冷却ガスを冷却パイプ16に供給し、あるいは冷却パイプ16内を通過した冷却ガスを排出する。従って、冷却パイプ16及び冷却配管17,17は、冷却ガスを循環させることによって、3相配置形機電子を冷却する熱交換器として作用する。
【0033】
テーブル15は、図1に示すように、下面中央部にて上面コアカバー13の上面と連結し、下面両側にてリニアモータ30の摺動ブロック31と連結している。テーブル15の上面には、被搬送物が固定される。また、テーブル15の一側にはリニアエンコーダ40のセンサ可動部41がセンサを固定部20側に向けて固定されている。
【0034】
固定部20は、両面励磁構造であって、磁界マグネット21とヨーク22とによって構成されている。
ヨーク22は上面に溝部22aが形成されている。この溝部22aには可動部20の3相配置形機電子及び磁界マグネット21,21が収納される。従って、溝部22a幅寸法は3相配置形機電子と磁界マグネット21,21とそれら相互の隙間を加えた寸法となる。また、ヨーク22の溝部22aを挟む上面には、一対のリニアガイド30のレール32が固定されている。更に、ヨーク22の一側にはリニアエンコーダ40のリニアスケール42が軸方向に沿って固定されている。リニアスケール42はセンサ可動部41のセンサと対向する位置に固定されている。
【0035】
磁界マグネット21,21はヨーク22の溝部22a両側壁に軸方向に沿って、かつ可動部10の3相配置形機電子の有効伝導部Cbと対向する位置に固定されている。また、磁界マグネット21,21は、図4に示すように、それぞれ対向する極が同じとなるようにN極・S極・N極・・・の順で多極着磁されており、軸方向磁束形を成している。更に、磁界マグネット21の1磁極の幅は、コア11のスロットS3個分の幅に該当する。
【0036】
〈高推力リニアモータの動作〉
次に、この実施の形態に係る高推力リニアモータの動作を説明する。
コイルC1,C2,C3 の通電により、図5の左側を正面とした場合、正面に向かって交互に電流が流れて磁束Bが生じる。この磁束BはN極の場合は吸引力が働き、S極の場合は反発力が働く。そして、コイルC1(U相),C2(W相),C3(V相) と1磁極の幅Pmに対して3分の1ピッチずれて電流が流れることで、磁界マグネット21との間での反発力あるいは吸引力が軸方向への推力Fとなり、図5の左方向に移動する。
【0037】
発生する推力Fのベクトルは必ずしも水平方向に発生するとはかぎらず、斜め上昇あるいは下方方向に発生することもある。かかる場合、可動部10がリニアガイド30により水平の軸方向のみ摺動自在に規制されているので、可動部10は水平かつ軸方向へ移動することになる。また、可動部10は3相配置形機電子が側面コアカバー12及び上面コアカバー13で覆われ、かつエポキシ樹脂等で一体化されているので、可動部10に対し斜め上昇方向のベクトルの推力Fが働いても、形状が歪まずに十分耐えうる構造となっている。
【0038】
可動部10に固定されたセンサ可動部41は、固定部20の側壁に延在して固定されているリニアスケール42を検出することで、現在位置を検出する。
【0039】
この実施の形態によれば、コア11の両側にスロットSを形成し、両側にわたってコイルC1,C2,C3 を巻回できるので、コイルC1,C2,C3 のスペース効率(密度)が大きく、従来の有鉄心形リニアモータに比して高い推力Fが得られる。従って、有鉄心形リニアモータの小形化が可能になる。
【0040】
この実施の形態は、両側のスロットS同士にわたって巻回されるコイルC1,C2,C3は3相を有し、図4及び図5に示すように、隣接する相の電気角が異なるように巻回されている。従って、分布巻きタイプと同等の円滑な作動状態が得られる。
【0041】
また、この実施の形態は、コア11及びコイルC1,C2,C3 の有効導体部Cbを除き、コア11及びコイルC1,C2,C3 の周囲の略全域にわたって覆う側面コアカバー12及び上面コアカバー13を有している。この実施の形態によれば、コア11の略全域にコイルC1,C2,C3 を巻回した3相配置形機電子を側面コアカバー12及び上面コアカバー13で覆うことで、他の可動部分であるテーブル15等と3相配置形機電子が直接接触することなく、側面コアカバー12及び上面コアカバー13を介して確実に固定(取り付け)することができる。
【0042】
更に、側面コアカバー12及び上面コアカバー13を一対のカバーに分け、この一対のカバー同士を一体的に連結するカバー取付板14を設けたので、コア11及びコイルC1,C2,C3 を側面コアカバー12及び上面コアカバー13に固定(取り付ける)作業が容易になる。
【0043】
更にまた、カバー取付板14を熱伝導率が高いアルミ材質を用いると共に、カバー取付板14をコア11に当接または近接して配置することで、カバー取付板14が放熱器として作用し、コイルC1,C2,C3 の発熱をコア11に貯めることなく、外部へ放熱できる。従って、コア11が加熱された時生じる推力Fの低下を防止できる。
【0044】
更にまた、コア11及びコイルC1,C2,C3 と側面コアカバー12及び上面コアカバー13との間に樹脂モールドMを充填することで、コア11、コイルC1,C2,C3 、側面コアカバー12及び上面コアカバー13が密着した状態で一体化される。従って、可動部10が直線的に移動または停止してもそれぞれが形くずれしない。
【0045】
〈本発明の別の実施の形態〉
上述の実施の形態では、カバー取付板(連結手段)14をコア11の4隅のスロットSに4本挿入した場合で説明したが、カバー取付板14は4本に限定されるものではない。すなわち、別の実施の形態として、可動部の幅が大きい場合や、可動部の軸方向長さが長くなった場合は、コアの中間部分のスロットにカバー取付板を追加挿入してもよい。例えば、図7及び図8に示すように、コア101の4隅のスロットSに挿入した4本のカバー取付板14aに加えて、コア101の中間部分のスロットS2個所に2本のカバー取付板14aを挿入する構造にしてもよい。この別の実施の形態によれば、カバー取付板14aを4隅に加えて中間部分に設けたことにより、(1) カバー部材102,103の強度を増すことができる、(2) コア101の中間部分に溜まった熱を中間部分に設けたカバー取付板14aを介して放熱することができる。
【0046】
〈高推力リニアモータの製造方法〉
本発明の高推力リニアモータの製造方法は、軸方向に対して交差する方向のスロットSが、両側にかつ互いに対応し軸方向に沿って複数形成されているコア11に対し、コイルC1,C2,C3 を交互に巻回する(図4参照)。
この巻回の際に、両側に互いに対応するスロットS同士にわたって、コア11を回転させながら、コイルC1,C2,C3 を巻回する。
【0047】
この実施の形態によれば、従来のように予め巻回したコイルをスロットに挿入するのではなく、スロットSに直接巻回(直巻き)することで、コイルが巻回されていない空白スペースがスロットに生じない。従って、分布巻きタイプと同等の円滑な作動状態が得られると共に、スペース効率を大きくできて高推力が得られる。また、巻線機による機械巻きも可能となり、組立を容易にすることができる。
【0048】
【発明の効果】
本発明は、以上の構成および作用を有するもので、磁性部材の両側にスロットを形成し、両側にわたってコイルを巻回できるので、コイルのスペース効率(密度)が大きく、従来の有鉄心形リニアモータに比して高い推力が得られる。従って、有鉄心形リニアモータの小形化が可能になる。
【0049】
また、スロット同士にわたって巻回されるコイルは複数相を有すると共に、スロットに巻回されて隣り合う相の電気角が異なるように巻回するように構成したので、分布巻きタイプと同等の円滑な作動状態が得られる。
【0050】
更に、磁性部材の略全域にコイルを巻回した機電子をカバー部材で覆うように構成したので、カバー部材と他の可動部分であるテーブル等とを固定することで、前記機電子がテーブル等と直接接触することなく、カバー部材を介してテーブル等に確実に固定(取り付け)することができる。また、カバー部材を一対のカバーに分け、この一対のカバー同士を一体的に連結する連結手段を設けた構成にすると、磁性部材及びコイルをカバー部材に固定(取り付ける)作業が一層容易になる。
【0051】
更にまた、前記連結手段を熱伝導率が高い材質とし、前記磁性部材に当接または近接して配置するように構成したので、前記連結手段が放熱器として作用し、コイルの発熱を磁性部材に貯めることなく、外部へ放熱できる。従って、磁性部材が加熱された時生じる推力の低下を防止できる。
【0052】
更にまた、磁性部材及びコイルとカバー部材との間に非磁性材を充填するように構成したので、磁性部材、コイル、およびカバー部材が密着した状態で一体化される。従って、磁性部材、コイル、およびカバー部材が直線的に移動または停止してもそれぞれが形くずれしないので、可動部として好適なものとなる。
【0053】
更にまた、本発明の高推力リニアモータの製造方法は、両側に互いに対応するスロット同士にわたって、磁性部材を回転させながら、コイルを巻回するように構成したので、従来のように予め巻回したコイルをスロットに挿入するのではなく、スロットに直接巻回することで、コイルが巻回されていない空白スペースがスロットに生じない。従って、分布巻きタイプと同等の円滑な作動状態が得られると共に、スペース効率を大きくできて高推力が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る高推力リニアモータの横断面図である。
【図2】高推力リニアモータの可動部の斜視図である。
【図3】磁性部材(コア)の詳細図であり、図3(a)は平面図を示し、図3(b)は側面図を示す。
【図4】高推力リニアモータの可動部の平面断面図である。
【図5】三相コイルと磁界マグネットとの位置関係図である。
【図6】三相コイルの巻回部の拡大図である。
【図7】別の実施の形態に係る高推力リニアモータの横断面図である。
【図8】別の実施の形態に係る高推力リニアモータの可動部の平面断面図である。
【図9】従来のリニアモータの正面図である。
【図10】従来のリニアモータの縦断面図である。
【図11】従来の三相コイルの配列図である。
【符号の説明】
1,10…可動部
1a,11…コア(磁性部材)
2,20…固定部
2a…ヨーク
2b,21…永久磁石(磁界マグネット)
12…側面コアカバー
13…上面コアカバー
13a…溝部
14…カバー取付板
15…テーブル
16…冷却パイプ
17…冷却配管
18…継手(ハーフユニオン)
19…継手取付板
22…ヨーク
22a…溝部
30…リニアガイド
31…ブロック
32…レール
40…リニアエンコーダ
41…センサ可動部
42…リニアスケール
C1,C2,C3 …コイル
S…スロット
T…歯(突極)
M…樹脂モールド
F…推力
B…磁束
Claims (4)
- 軸方向に対して交差する方向のスロットが両側にかつ互いに対応し前記軸方向に沿って複数形成された磁性部材と、前記対応する両側のスロットにわたって巻回されたコイルとを有する可動部と、
前記コイル各々の有効導体部に対向し得るように前記磁性部材の両側に前記軸方向で延在し、前記軸方向で多極着磁された磁界マグネットを有する固定部と、
を備えた高推力リニアモータにおいて、
前記コイルは複数相を有し、前記スロットに巻回されて隣り合う前記相の電気角が異なると共に、
前記可動部は、
前記磁性部材及び前記コイルの有効導体部を除き、前記磁性部材及び前記コイルの周囲の略全域を覆うカバー部材を有しており、
該カバー部材は、前記磁性部材及び前記コイルの周囲の略全域を覆う一対のカバーと、この一対のカバー同士を一体的に連結する連結手段と、を有しており、
前記有効導体部は、前記カバー部材を介することなく、前記磁界マグネットと対向していることを特徴とする高推力リニアモータ。 - 前記連結手段は熱伝導率が高い材質からなり、前記磁性部材に当接または近接して配置されている請求項1記載の高推力リニアモータ。
- 前記磁性部材及び前記コイルと前記カバー部材との間に非磁性材が充填されている請求項1または2に記載の高推力リニアモータ。
- 請求項1,2または3に記載の高推力リニアモータの製造方法において、
軸方向に対して交差する方向のスロットが、両側にかつ互いに対応し前記軸方向に沿って複数形成されている磁性部材に対し、コイルを巻回する高推力リニアモータの製造方法であって、
前記両側に互いに対応する前記スロット同士にわたって、前記磁性部材を回転させながら、前記コイルを巻回することを特徴とする高推力リニアモータの製造方法。
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