JP6327890B2 - リニアモータ用電機子及び冷却管の固定方法 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータの固定子又は可動子として用いられる電機子と、電機子のコアに冷却管を固定するための方法に関する。

リニアモータに用いられる電機子は、コアと、コアに駆動方向に複数設けられるティース部と、ティース部に巻き回されるコイルを備える。コイルが通電により発熱すると、電機子コアの温度上昇により電機子の性能に悪影響を及ぼしかねない。この対策として、通常、ティース部間に形成されるスロット部には冷却管が配置される（特許文献１参照）。冷却管内に供給される冷媒によりコアが冷却され、その温度上昇が抑えられる。

特開２００８−３５６９８号

冷却管は、一般に、その外周面の平面度（円筒度）を確保し難く、スロット部内での接触面積が管軸方向の位置により変化する。よって、スロット部と冷却管の間で発生する接触熱抵抗が増大し易く、冷却管によるコアの冷却性能の低下を招く。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却管によるコアの冷却性能を改善できる技術を提供することにある。

本発明のある態様は、リニアモータ用電機子に関する。リニアモータ用電機子は、コアと、コアに形成される溝部と、溝部内に配置される冷却管と、溝部内の開口側に配置され、冷却管を溝部の底側に押し込んだ状態で固定される押し込み部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の別の態様は、冷却管の固定方法に関する。冷却管の固定方法は、コアと、コアに形成される溝部とを備えるリニアモータ用電機子の溝部内に冷却管を固定するための方法であって、溝部内に冷却管を配置し、溝部の開口側から底側に向けて押し込み部材により冷却管を押し込み、その状態で押し込み部材を固定することを特徴とする。

これら態様によれば、冷却管が押し込み部材により溝部の底側に押し込まれるため、冷却管と溝部の内壁面の接触面積が大きくなる。よって、冷却管と溝部間での接触熱抵抗が低減し、これらの接触部分を通して熱伝達され易くなり、冷却管によるコアの冷却性能が良好となる。

本発明のある態様によれば、冷却管によるコアの冷却性能を改善できる。

第１実施形態に係る電機子が用いられるリニアモータを示す側面断面図である。 第１実施形態に係る電機子を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る電機子コアの溝部内に配置される冷却管を示す正面断面図である。 第１実施形態に係る電機子コアの溝部内に配置される冷却管を示す拡大側面断面図である。 第１実施形態に係る電機子コアの溝部内に冷却管や押し込み部材を配置するときの途中状態を示す拡大側面断面図である。 第１実施形態に係る電機子コアと押し込み部材を摩擦攪拌接合するときの途中状態を示す拡大側面断面図である。

（第１の実施の形態）
図１は第１実施形態に係る電機子４０が用いられるリニアモータ１０を示す。リニアモータ１０は、界磁子３０と、電機子４０を備える。界磁子３０が固定子であり、電機子４０が可動子である。以下、リニアモータ１０の駆動方向を方向Ｘとし、方向Ｘの方向軸と垂直な面内において直交する２方向を方向Ｙ、方向Ｚとして説明する。

界磁子３０は、界磁子コア３１と、複数の磁石３３を備える。界磁子コア３１は駆動方向Ｘに延びる直方体状の部材である。各磁石３３は永久磁石であるが、電磁石でもよい。各磁石３３は、駆動方向Ｘに異なる磁極（Ｎ極、Ｓ極）が交互に位置するように設けられる。

電機子４０は、界磁子３０と間隔を空けて配置される。図２は電機子４０の分解斜視図を示す。電機子４０は、電機子コア４１を備える。電機子コア４１は、複数の積層体４７を積層して構成される。積層体４７は電磁鋼板であるが、他の金属板でもよい。また、電機子コア４１は焼結フェライト等の焼結体により構成されてもよい。

電機子コア４１は、駆動方向Ｘに延びる直方体状のヨーク部４２と、ヨーク部４２から突出する複数（図示は９個）のティース部４３と、ティース部４３に対して駆動方向Ｘの両側に形成される複数（図示は１０個）のスロット部４５を備える。ティース部４３やスロット部４５は、界磁子３０と対向する電機子コア４１の内側部４１ａに設けられる。また、電機子コア４１は、その外側部４１ｂにおいて、駆動方向Ｘに複数（図示は１０個）の溝部５１が設けられる。なお、方向Ｙはティース部４３の突出方向に対応し、方向Ｚは電機子コア４１の奥行方向（積層体４７の積層方向）に対応する。

電機子コア４１は、ティース部４３とスロット部４５が駆動方向Ｘに交互に設けられる凹凸形状、つまり、櫛歯形状を有する。各ティース部４３にはそれぞれコイル４９が巻き回され、スロット部４５内にはコイル４９が配置される。

以上のリニアモータ１０は、コイル４９の通電により生じる磁界と磁石３３の磁界との相互作用により電機子４０に推力が発生し、駆動方向Ｘに電機子４０が移動する。

電機子４０は、電機子コア４１等の他に、冷却管６０と、押し込み部材７０を更に備える。

冷却管６０は銅等の金属材料を素材とする。冷却管６０は、駆動方向Ｘに間隔を空けて設けられる複数（図示は１０個）のコア冷却部６１と、隣り合うコア冷却部６１の端部をつなぐ連設部６３とを含む。コア冷却部６１は溝部５１の数に対応した数が設けられる。コア冷却部６１の断面は円筒状に形成される。冷却管６０は、各コア冷却部６１と連設部６３とが波状に蛇行するように設けられ、その内側に連続した流路が形成される。この冷却管６０は管体を曲げ加工することにより製作される。

図３は溝部５１内に配置される冷却管６０を示す正面断面図である。冷却管６０は、図１、図３に示すように、各コア冷却部６１が別々の溝部５１内に配置され、連設部６３が電機子コア４１より奥行方向Ｚの外側に配置される。冷却管６０に水等の冷媒を送り込むと、その流路の流入側（図２のＰ１部）から流出側（図２のＰ２部）に向かう方向Ｑに冷媒が流れ、コア冷却部６１内の冷媒により電機子コア４１が冷却される。

図４は溝部５１内に配置される冷却管６０を示す拡大側面断面図である。溝部５１は、図３、図４に示すように、電機子コア４１の奥行方向Ｚに貫通する。溝部５１はティース部４３の突出方向Ｙに開口部５３が形成される。溝部５１の内壁面５５には、底側の溝底面５７と、溝底面５７から溝部５１の開口部５３側に延びる一対の溝側面５９とが含まれる。

溝底面５７は、溝部５１内に配置される冷却管６０の外周面の底側部分６０ａに沿うように、溝部５１の底側に凹状に湾曲する形状を有し、その底側部分６０ａに接触する。冷却管６０の底側部分６０ａは溝部５１内の底側の一部を塞ぐように嵌め込まれることになる。各溝側面５９は平面状に形成される。

押し込み部材７０は、溝部５１内において冷却管６０より開口側に配置される。押し込み部材７０は、電機子コア４１と同種の金属材料である鋼材により形成される。

押し込み部材７０は、溝部５１の奥行方向Ｚに長いブロック体として形成され、その溝部５１の長さＬ１と合わせた長さＬ２、つまり、長さＬ１と略一致する長さＬ２を有する。押し込み部材７０は、冷却管６０の外周面の開口側部分６０ｂと、一対の溝側面５９とにより囲まれる箇所を塞ぐように嵌め込まれる中実断面形状を有する。

駆動方向Ｘ両側にある押し込み部材７０の側壁面７１は、これと対向する溝部５１の溝側面５９に沿って接触する。溝部５１の底側にある押し込み部材７０の底壁面７３は、冷却管６０の開口側部分６０ｂに沿うように、開口側に凹状に湾曲する形状を有し、その開口側部分６０ａに沿って接触する。溝部５１の開口側にある押し込み部材７０の頂面７５は、電機子コア４１の外側面４１ｃと面一となるように設けられる。

押し込み部材７０は、冷却管６０を溝部５１の底側に押し込んでおり、その状態で溶接（溶け込み溶接）により固定される。溶接は、電機子コア４１の開口部５３の周縁部５３ｂと、これに突き合わせられる押し込み部材７０の側端部７７に行われる。この溶接により、電機子コア４１と押し込み部材７０の境界部分に沿って溶接接合部７９が形成される。この溶接方法の詳細は後述する。

次に、電機子コア４１の溝部５１内に冷却管６０を固定するための方法を説明する。図５は溝部５１内に冷却管６０や押し込み部材７０を配置するときの途中状態を示す。

まず、図５（ａ）に示すように、溝部５１内に冷却管６０を配置する。冷却管６０は、その底側部分６０ａが溝部５１の溝底面５７に接触するまで移動させる。

図５（ｂ）に示すように、押し込み部材７０の底壁面７３を溝部５１の底側に向けて、溝部５１内に押し込み部材７０を挿入する。このとき、押し込み部材７０の各側壁面７１を対向する溝部５１の溝側面５９に接触させた状態で挿入する。これにより、押し込み部材７０が溝側面５９により案内され、その押し込み作業が容易となる。

押し込み部材７０は、その底壁面７３が冷却管６０の開口側部分６０ｂに接触するまで挿入する。ここで、冷却管６０は、一般に、その外周面の平面度を確保し難いため、管軸方向（奥行方向Ｚ）の位置により、ティース部４３の突出方向Ｙに曲がるようなうねりが生じ易い。このうねりがあるときでも、冷却管６０に接触する押し込み部材７０の底側への押し込みにより、冷却管６０が変形してうねりが矯正される。図５（ｃ）に示すように、電機子コア４１の外側面４１ｃに対して押し込み部材７０の頂面７５が面一となる位置まで押し込んだら、押し込みを止める。

次に、電機子コア４１と押し込み部材７０を溶接により接合する。溶接は摩擦攪拌接合により行う。図６はこれらを摩擦攪拌接合するときの途中状態を示す。

摩擦攪拌接合では、摩擦攪拌工具として回転ツール１００を用いる。回転ツール１００は、円柱状の本体部１０１と、本体部１０１の先端部に設けられるプローブ１０３を備える。

プローブ１０３を電機子コア４１と押し込み部材７０の突き合わせ部８０に接触させ、プローブ１０３を回転させながら突き合わせ部８０に沿って移動させる。電機子コア４１や押し込み部材７０とプローブ１０３の間の摩擦熱により、電機子コア４１等のプローブ周辺部分が軟化する。また、プローブ１０３の回転により軟化部分が攪拌され、電機子コア４１等の突き合わせ部８０で塑性流動が生じる。プローブ１０３を奥行方向Ｚに移動させて軟化部分を通過させると、塑性流動した部分は冷却により固化され、電機子コア４１と押し込み部材７０の間にこれらを接合する溶接接合部７９が形成される。

本実施形態によれば、冷却管６０が押し込み部材７０により溝部５１の底側に押し込まれるため、冷却管６０と溝部５１の内壁面５５が密着するように両者の接触面積が大きくなる。よって、冷却管６０と溝部５１の間で発生する接触熱抵抗が低減し、これらの接触部分を通して熱伝達され易くなり、冷却管６０による電機子コア４１の冷却性能が良好となる。

また、冷却管６０は管体を曲げ加工して製作されるため、曲げ加工時に加わる曲げ力により径方向のうねりが生じ易い。冷却管６０のコア冷却部６１に突出方向Ｙの大きいうねりがあると、溝部５１の開口部５２から冷却管６０がはみ出してしまい、電機子４０の組み立てが困難になり得る。この場合でも、押し込み部材７０の押し込みによりうねりが抑えられ、電機子４０の組み立て時の組み立て性が良好になる。

また、冷却管６０にうねりがあると、奥行方向Ｚでの位置により冷却管６０と溝部５１間での接触熱抵抗が変化するうえ、駆動方向Ｘの個々のコア冷却部６１と溝部５１間での接触熱抵抗も変化し得る。この結果、電機子コア４１の駆動方向Ｘ、奥行方向Ｚの位置により、冷却管６０による冷却性能にばらつきが生じる恐れがある。この点、本実施形態によれば、冷却管６０のうねりが抑えられるため、電機子コア４１の駆動方向Ｘ、奥行方向Ｚの位置による冷却性能のばらつきを抑えられる。

また、押し込み部材７０は電機子コア４１に溶接により接合されるため、押し込み部材７０と電機子コア４１の接触部分よりも、溶接接合部７９を通して熱伝達され易くなる。よって、冷却管６０による電機子コア４１の冷却性能が良好となる。

特に、押し込み部材７０は電機子コア４１に摩擦攪拌接合により接合されるため、以下のメリットがある。摩擦攪拌接合は、接合対象となる母材をその融点未満の温度に加熱して接合する固相接合となる。接合対象となる母材を融点以上に加熱する溶融接合では、母材の金属組織が溶融凝固組織となり、その結晶粒が粗大化するうえ溶質元素の偏析を招く。一方、摩擦攪拌接合では、母材の結晶粒を微細化した状態を保てるうえ、溶質元素の偏析が生じ難く、溶接接合部７９での塑性加工性を確保できるメリットがある。また、摩擦攪拌接合では、溶融接合と比較して、溶接接合部７９での熱変形量を抑えられ、その接合精度が良好になるメリットがある。また、摩擦攪拌接合では、溶融接合と比較して、消費電力を抑えて小エネルギー化を図れるうえ、その作業に当たり熟練を要しないメリットがある。

また、押し込み部材７０は、冷却管６０と溝部５１とにより囲まれる箇所を塞ぐように嵌め込まれるため、冷却管６０や電機子コア４１との接触面積が大きくなる。よって、冷却管６０から押し込み部材７０を通して電機子コア４１に熱伝達され易くなり、冷却管６０による冷却性能が良好となる。特に、押し込み部材７０は中実断面形状であるため、中空断面形状を有するよりも熱伝導率に優れ、より冷却性能が良好となる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

上述の実施形態では、本発明に係る電機子４０を可動子に適用した例を説明したが、固定子に適用されてもよい。固定子に適用される場合も、電機子４０は、界磁子３０である可動子と対向する電機子コア４１の側部にティース部４３が設けられ、そのティース部４３にコイル４９が巻き回される。

電機子コア４１の溝部５１の形状は上述のものに限定されない。また、冷却管６０が配置される溝部５１は、スロット部４５が形成される電機子コア４１の内側部４１ａとは逆側の外側部４１ｂに形成されたが、その溝部５１としてスロット部４５が用いられてもよい。この場合、溝部５１としてのスロット部４５の底側に冷却管６０が配置され、スロット部４５内において冷却管６０より開口側に押し込み部材７０が配置され、押し込み部材７０より開口側にコイル４９が配置されてもよい。

冷却管６０に複数のコア冷却部６１を設け、各コア冷却部６１を複数の溝部５１内に配置し、単一の冷却管６０により一つの電機子コア４１を冷却する例を説明した。他の変形例では、複数の溝部５１内に別々の冷却管６０を配置し、複数の冷却管６０により一つの電機子コア４１を冷却してもよい。また、コア冷却部６１の断面は円筒状に形成されたが、角筒状等に形成されてもよい。

押し込み部材７０は、中実断面形状ではなく中空断面形状でもよいし、その形状は上述のものに限定されない。

押し込み部材７０は、摩擦攪拌接合の他に、ろう接、アーク溶接等の融接、スポット溶接等の圧接のように、他の溶接方法により電機子コア４１に接合されてもよい。また、押し込み部材７０は、溶接の他に、圧入、焼きばめ等の他の接合方法により接合されてもよい。

１０・・・リニアモータ、４０・・・電機子、５１・・・溝部、５５・・・内壁面、６０・・・冷却管、７０・・・押し込み部材。

Claims (5)

1. リニアモータ用の電機子であって、
   コアと、
   前記コアに形成される溝部と、
   前記溝部内に配置される冷却管と、
   前記溝部内の開口側に配置され、前記冷却管を溝部の底側に押し込んだ状態で固定される押し込み部材と、を備え、
   前記冷却管の外周面は、前記溝部の開口側にある開口側部分を有し、
   前記押し込み部材は、前記冷却管の開口側部分に沿って接触する底壁面を有し、
   前記冷却管は、前記押し込み部材により押し込まれることにより、前記溝部の内壁面と密着することを特徴とするリニアモータ用電機子。
2. 前記押し込み部材は、前記コアに溶接又は摩擦攪拌接合により接合されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ用電機子。
3. 前記押し込み部材は、前記溝部の溝側面に沿って接触する側壁面を有することを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ用電機子。
4. 前記押し込み部材は、前記冷却管の外周面と前記溝部の内壁面とにより囲まれる箇所を塞ぐように嵌め込まれることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のリニアモータ用電機子。
5. コアと、前記コアに形成される溝部とを備えるリニアモータ用電機子の溝部内に冷却管を固定するための方法であって、
   前記溝部内に冷却管を配置し、前記溝部の開口側から底側に向けて押し込み部材により冷却管を押し込み、その状態で押し込み部材を固定し、
   前記冷却管の外周面は、前記溝部の開口側にある開口側部分を有し、
   前記押し込み部材は、前記冷却管の開口側部分に沿って接触する底壁面を有し、
   前記冷却管は、前記押し込み部材により押し込まれることにより、前記溝部の内壁面と密着することを特徴とする冷却管の固定方法。

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