JP6338407B2 - リニアモータ用電機子 - 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、コアにモータ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、コアの温度上昇により電機子の性能に悪影響を及ぼす恐れがある。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

コアの温度上昇を効果的に抑えるうえで、冷却管によるコアの冷却性能が良好であるほと好ましい。本発明者は、このような要求を実現するうえで、電機子の構造に関して改善の余地があると認識するに至った。

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、リニアモータ用の電機子であって、複数の金属板を積層して構成されるコアと、コアを冷却するための冷却管と、を備え、複数の金属板のそれぞれには貫通部が形成され、その貫通部が金属板の積層方向に連なることにより、冷却管の一部を収容する管収容部が形成され、管収容部には、複数の金属板それぞれの貫通部を画定する壁部により、金属板の積層方向に沿って凹凸部が形成されることを特徴とする。

この態様によれば、コアの管収容部に凹凸部が形成されるため、管収容部内の空気、樹脂材等の熱媒と管収容部の内面との接触面積が増加する。よって、管収容部から熱媒に抜熱され易くなり、冷却管や自然空冷によるコアの冷却効率が向上する。

本発明のある態様によれば、冷却管による電機子の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管収容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管収容部内に配置される冷却管を示す拡大平面断面図である。 第１実施形態に係る電機子コアの管収容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実施形態に係る第１金属板と第２金属板を示す側面図である。 第２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２実施形態に係る電機子コアの端部を示す平面断面図である。

（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のモータ駆動方向を方向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はモータ駆動方向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、モータ駆動方向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、複数の金属板４７を積層して構成される。各金属板４７は、かしめ、溶着、接着剤等により一体化される。金属板４７は電磁鋼板であるが、これに限られない。

電機子コア４１は、図１に示すように、バックヨーク部４２と、複数（図示は９個）のティース部４３と、複数（図示は１０個）のスロット部４５と、一対のサイドヨーク部４６を備える。バックヨーク部４２は、モータ駆動方向Ｘに直方体状に延びる。各ティース部４３は、バックヨーク部４２からモータ駆動方向Ｘに間隔を空けて突出する。各スロット部４５は、ティース部４３に対してモータ駆動方向Ｘの両側に形成される。サイドヨーク部４６は、バックヨーク部４２のモータ駆動方向Ｘの両端側から突出する。ティース部４３、スロット部４５、サイドヨーク部４６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。なお、方向Ｙはティース部４３の突出方向に対応し、方向Ｚは金属板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がモータ駆動方向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、モータ駆動方向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５０と、複数の管収容部６０と、樹脂材９０を更に備える。

冷却管５０は銅等の金属材料を素材とする。冷却管５０は、図１、図２に示すように、モータ駆動方向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５１と、隣り合うコア冷却部５１の端部をつなぐ連設部５３とを含む。コア冷却部５１は管収容部６０の数に対応した数が設けられる。コア冷却部５１の断面は円筒状に形成される。冷却管５０は、各コア冷却部５１と連設部５３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５０は管体を曲げ加工することにより製作される。

管収容部６０は、電機子コア４１の外側部４１ｂにおいて、モータ駆動方向Ｘに間隔を空けて複数（図示は１０個）設けられる。図３は管収容部６０内に配置される冷却管５０を示す正面断面図である。管収容部６０は、各金属板４７のそれぞれに形成される管用貫通部６４が、積層方向Ｚに連なることにより形成される。管用貫通部６４は金属板４７を板厚方向に貫通している。管収容部６０には冷却管５０の一部であるコア冷却部５１が収容される。各金属板４７の管用貫通部６４はティース部４３の突出方向Ｙに開口部６１が設けられる溝状に形成される。

冷却管５０は、図１、図３に示すように、別々の管収容部６０内に各コア冷却部５１が配置され、電機子コア４１より積層方向Ｚの外側に連設部５３が配置される。冷却管５０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５１内の冷媒により電機子コア４１が冷却される。

図４は管収容部６０内に配置される冷却管５０の拡大平面断面図である。図５はその拡大側面断面図である。図４では樹脂材９０を省略している。図５（ａ）は図４のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図４のＢ−Ｂ線断面図でもある。

複数の金属板４７には第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂが含まれる。第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂは積層方向Ｚに交互に積層される。各金属板４７は管用貫通部６４を画定する壁部の位置が相違し、その詳細は後述する。

各金属板４７の管用貫通部６４は、冷却管５０を挟んでモータ駆動方向Ｘに対向する一対の対向壁部６３により画定される。以下、図５中の左側の対向壁部６３を左側壁部６３Ｌといい、右側の対向壁部６３を右側壁部６３Ｒという。各対向壁部６３には、溝底側に設けられる底辺部６５と、底辺部６５に連なる側辺部６７とが形成される。底辺部６５は、開口部６１側から溝底側に向かうにつれて溝幅が狭まるように円弧状に傾斜する。側辺部６７は、開口部６１側から底辺部６５に平面状に延びる。

冷却管５０のコア冷却部５１と管収容部６０の内面の間には樹脂材９０が充填される。樹脂材９０はモールド樹脂等であり、空気より熱伝達率が大きい素材が用いられる。樹脂材９０の充填により、冷却管５０と電機子コア４１の間で熱伝達され易くなり、冷却管５０による電機子コア４１の冷却性能が良好となる。

ここで、管収容部６０には、図４に示すように、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂのそれぞれの左側壁部６３Ｌにより、積層方向Ｚに沿って第１凹凸部７１Ａが形成される。また、管収容部６０には、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂのそれぞれの右側壁部６３Ｒにより、積層方向Ｚに沿って第２凹凸部７１Ｂが形成される。

第１金属板４７Ａでは、その左側壁部６３Ｌにより第１凹凸部７１Ａの第１凸部分７５Ａが形成される。また、第１金属板４７Ａの右側壁部６３Ｒと、これに積層方向Ｚに隣り合う第２金属板４７Ｂの右側壁部６３Ｒとにより、第２凹凸部７１Ｂの第１凹部分７７Ａが形成される。

第２金属板４７Ｂでは、その右側壁部６３Ｒにより第２凹凸部７１Ｂの第２凸部分７５Ｂが形成される。また、第２金属板４７Ｂの左側壁部６３Ｌと、これに積層方向Ｚに隣り合う第１金属板４７Ａの左側壁部６３Ｌとにより、第１凹凸部７１Ａの第２凹部分７７Ｂが形成される。以下、第１凹凸部７１Ａと第２凹凸部７１Ｂを総称するときは凹凸部７１といい、第１凸部分７５Ａ、第２凸部分７５Ｂを総称するときは凸部分７５といい、第１凹部分７７Ａ、第２凹部分７７Ｂを総称するときは凹部分７７という。

冷却管５０は、図５（ｂ）に示すように、第１凹凸部７１Ａの第１凸部分７５Ａを形成する第１金属板４７Ａの左側壁部６３Ｌの底辺部６５と接触する。また、冷却管５０は、図５（ａ）に示すように、第２凹凸部７１Ｂの第２凸部分７５Ｂを形成する第２金属板４７Ｂの右側壁部６３Ｒの底辺部６５と接触する。冷却管５０は、これら第１金属板４７Ａの左側壁部６３Ｌと、第２金属板４７Ｂの右側壁部６３Ｒとに接触した状態で保持される。

この接触により、冷却管５０は、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂの管用貫通部６４の溝底面から間隔を空けて保持され、それらの溝底面と冷却管５０の間に積層方向Ｚに貫通する空間部６９が形成される。図５ではこの空間部６９の範囲Ｓを一点鎖線で示す。この空間部６９には樹脂材９０が充填される。

図６（ａ）は第１金属板４７Ａの側面図であり、図６（ｂ）は第２金属板４７Ｂの側面図である。各金属板４７のそれぞれにはコイル用貫通部４４が板厚方向に貫通して形成される。スロット部４５は、各金属板４７のコイル用貫通部４４が積層方向Ｚに連なることにより形成される。

第１金属板４７Ａは、第２金属板４７Ｂのモータ駆動方向Ｘの中心線Ｌｃに対して線対称の形状を有する。つまり、第１金属板４７Ａを中心線Ｌｃ周りに反転させたものが第２金属板４７Ｂとなる。第１金属板４７Ａについて、図６（ａ）の左側から右側にかけてのコイル用貫通部４４、管用貫通部６４に４４−１〜４４−１０、６４−１〜６４−１０と番号を割り振る。これらコイル用貫通部４４−１〜４４−１０、６４−１〜６４−１０は、第１金属板４７Ａを反転させると、図６（ｂ）の右側から左側にかけてのコイル用貫通部４４−１〜４４−１０、管用貫通部６４−１〜６４−１０の位置に移動する。

第１金属板４７Ａは、複数のコイル用貫通部４４が中心線Ｌｃに対して線対称の形状を有する。たとえば、第１金属板４７Ａのコイル用貫通部４４−２とコイル用貫通部４４−９は中心線Ｌｃに対して線対称の形状を有する。このことは、図示の例において、中心線Ｌｃから等距離Ｌの位置にある部位周りの形状が同じことからも把握できる。他のコイル用貫通部４４−１とコイル用貫通部４４−１０や、コイル用貫通部４４−３〜４４−８も同様である。

また、第１金属板４７Ａは、一の管用貫通部６４の内側領域が、中心線Ｌｃに対して線対称の位置において、他の管用貫通部６４の内側領域と部分的に重なる形状を有する。たとえば、第１金属板４７Ａの管用貫通部６４−２と管用貫通部６４−９の内側領域をそれぞれＳ１、Ｓ２とする。管用貫通部６４−２の内側領域Ｓ１は、中心線Ｌｃに対して線対称の位置において領域Ｓ１’として形成され、その領域Ｓ１’は管用貫通部６４−９の内側領域Ｓ２と部分的に重なる。図６（ａ）では各領域Ｓ１’、Ｓ２の重なる範囲Ｓ３にハッチングをつけて示す。他の管用貫通部６４−１と管用貫通部６４−１０や、管用貫通部６４−３〜６４−８も同様である。

これらにより、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂは、積層方向Ｚに重ねたときに、それぞれのコイル用貫通部４４を画定する壁部により凹凸が形成されず、それぞれの管用貫通部６４の壁部により凹凸部７１が形成される。

なお、各金属板４７の成形方法は特に限られない。たとえば、各管用貫通部６４、コイル用貫通部４４を有する金属板４７を単一の金型を用いた一回の打ち抜き加工により成形し、それを第１金属板４７Ａとして用いて、第１金属板４７Ａを反転させたものを第２金属板４７Ｂとして用いてもよい。この他にも、各管用貫通部６４、コイル用貫通部４４となるべき部位を複数回の打ち抜き加工を繰り返して成形した第１金属板４７Ａ、第２金属板４７Ｂを用いてもよい。

次に、電機子コア４１の管収容部６０内に冷却管５０を固定するための方法の一例を説明する。

まず、管収容部６０内に冷却管５０を配置する。冷却管５０は、管収容部６０の開口部６１から管収容部６０の溝底側に挿入する。このとき、冷却管５０は、第１金属板４７Ａまたは第２金属板４７Ｂの一方の対向壁部６３の底辺部６５に接触すると、その底辺部６５に沿って自重により移動し、他方の対向壁部６３に接触し、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂの対向壁部６３により安定して支持される。つまり、底辺部６５の傾斜により、冷却管５０を挿入するだけで、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂの対向壁部６３により安定して支持される位置に冷却管５０を位置決めできる。

つづいて、冷却管５０と管収容部６０の内面とにより囲まれた箇所に樹脂材９０を充填する。この箇所には溶融樹脂を流し込み、その溶融樹脂を硬化させることにより樹脂材９０を充填する。このとき、冷却管５０と管収容部６０の溝底面の間に積層方向Ｚに貫通する空間部６９が形成されるため、その空間部６９を通して溶融樹脂を流し込み易くなる。なお、溶融樹脂は管収容部６０の積層方向Ｚの開口から流し込んでもよいし、その突出方向Ｙの開口部６１から流し込んでもよい。

以上、本実施形態に係る電機子４０によれば、電機子コア４１の管収容部６０に凹凸部７１が形成されるため、管収容部６０内に充填される熱媒としての樹脂材９０と管収容部６０の内面との接触面積が増加する。よって、管収容部６０から樹脂材９０に抜熱され易くなり、冷却管５０や自然空冷による電機子コア４１の冷却効率が向上する。

また、冷却管５０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うねりが生じ易い。かりに、電機子コア４１の管収容部６０に凹凸部７１が形成されないと、冷却管５０のコア冷却部５１に突出方向Ｙのうねりがあるとき、コア冷却部５１の突出方向Ｙの外周面と電機子コア４１との接触面積が減少し、電機子コア４１と冷却管５０の間で熱伝達され難くなる。この点、本実施形態によれば、冷却管５０が第１金属板４７Ａの左側壁部６３Ｌと、第２金属板４７Ｂの右側壁部６３Ｒに接触するため、冷却管５０に突出方向Ｙのうねりがあるときでも、電機子コア４１と冷却管５０の接触面積が増加する。よって、その接触部分を通して冷却管５０と電機子コア４１の間で熱伝達され易くなり、冷却管５０による電機子コア４１の冷却性能が良好となる。

また、第１金属板４７Ａは第２金属板４７Ｂの中心線Ｌｃに対して線対称の形状を有するため、同じ形状の金属板４７を裏返したものを積層方向Ｚに重ねるだけで管収容部６０に凹凸部７１が形成される。よって、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂを別々に成形する手間が抑えられ、製作コストの増加が抑えられる。

［第２実施形態］
図７は第２実施形態に係る電機子コア４１の側面断面図である。図８（ａ）は図７のＣ部の平面断面図であり、図８（ｂ）は図７のＤ部の平面断面図である。第２実施形態では電機子コア４１の形状が第１実施形態と異なる。以下の実施の形態では、第１の実施の形態で説明した要素と同一の要素に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

電機子コア４１には、図８（ａ）に示すように、複数の金属板４７それぞれのモータ駆動方向Ｘの一端部４８ａにより積層方向Ｚに沿って第３凹凸部８１Ａが形成される。第１金属板４７Ａでは、そのモータ駆動方向Ｘの一端部４８ａにより、第３凹凸部８１Ａの第３凸部分８３Ａが形成される。また、第２金属板４７Ｂのモータ駆動方向Ｘの一端部４８ａと、これに積層方向Ｚに隣り合う第１金属板４７Ａの一端部４８ａとにより、第３凹凸部８１Ａの第３凹部分８５Ａが形成される。

また、電機子コア４１には、図８（ｂ）に示すように、複数の金属板４７それぞれのモータ駆動方向Ｘの他端部４１ｄにより積層方向Ｚに沿って第４凹凸部８１Ｂが形成される。第２金属板４７Ｂでは、そのモータ駆動方向Ｘの他端部４８ｂにより、第４凹凸部８１Ｂの第４凸部分８３Ｂが形成される。また、第１金属板４７Ａのモータ駆動方向Ｘの他端部４８ｂと、これに積層方向Ｚに隣り合う第２金属板４７Ｂの他端部４８ｂとにより、第４凹凸部８１Ｂの第４凹部分８５Ｂが形成される。以下、第３凹凸部８１Ａと第４凹凸部８１Ｂを総称して凹凸部８１という。

以上の電機子４０によれば、各金属板４７Ａ、４７Ｂのモータ駆動方向Ｘの端部４１ｃ、４１ｄに凹凸部８１が形成されるため、その端部４１ｃの表面に接触する空気等の熱媒と、各金属板４７Ａ、４７Ｂの端部４１ｃ、４１ｄとの接触面積が大きくなる。よって、電機子コア４１から熱媒に抜熱され易くなり、自然空冷による電機子コア４１の冷却効率が向上する。

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の内側部４１ａ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の管用貫通部６４はティース部４３の突出方向Ｙに開口部５２が形成される溝状に形成されたが、その開口部５２がなくともよい。また、管用貫通部６４の形状は上述のものに限定されない。また、冷却管５０が配置される管収容部６０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、その管収容部６０としてスロット部４５が用いられてもよい。この場合、管収容部６０としてのスロット部４５内に冷却管５０が配置され、そのスロット部４５に積層方向Ｚに沿って凹凸部７１が形成される。

冷却管５０に複数のコア冷却部５１を設け、各コア冷却部５１を複数の管収容部６０内に配置し、単一の冷却管５０により一つの電機子コア４１を冷却する例を説明した。変形例では、複数の管収容部６０内に別々の冷却管５０を配置し、複数の冷却管５０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５１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。

複数の金属板４７の積層順序は、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂが交互に積層される場合の他、単数又は複数を一単位とする第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂが積層方向Ｚに規則的に積層されてもよいし、不規則に積層されてもよい。また、第１金属板４７Ａ、第２金属板４７Ｂと形状が異なる他の金属板が積層されてもよい。また、第２金属板４７Ｂは第１金属板４７Ａの中心線Ｌｃに対して線対称の形状を有していなくともよい。この場合、第１金属板４７Ａと第２金属板４７Ｂを別々に準備することになる。

また、第１金属板４７Ａや第２金属板４７Ｂの形状は上述のものに限られない。第１実施形態では複数のコイル用貫通部４４が中心線Ｌｃに対して線対称の形状を有し、一の管用貫通部６４の内側領域が、中心線Ｌｃに対して線対称の位置において、他の管用貫通部６４の内側領域と部分的に重なる形状を有した。この対称軸となる中心線は金属板のモータ駆動方向Ｘの中心線Ｌｃである必要はなく、その中心線Ｌｃからモータ駆動方向Ｘにずれた位置に対称軸が設けられてもよい。

１０・・・リニアモータ、４０・・・電機子、４１・・・コア、４７・・・金属板、４７Ａ・・・第１金属板、４７Ｂ・・・第２金属板、５０・・・冷却管、６０・・・管収容部、６３・・・対向壁部、６５・・・底辺部、７１・・・凹凸部、８１・・・凹凸部、９０・・・樹脂材。

Claims (6)

1. リニアモータ用の電機子であって、
   複数の金属板を積層して構成されるコアと、
   前記コアを冷却するための冷却管と、を備え、
   前記複数の金属板のそれぞれには貫通部が形成され、その貫通部が金属板の積層方向に連なることにより、前記冷却管の一部を収容する管収容部が形成され、
   前記管収容部には、前記複数の金属板それぞれの貫通部を画定する壁部により、金属板の積層方向に沿って凹凸部が形成され、
   前記複数の金属板の貫通部は、前記冷却管を挟んで対向する一対の対向壁部により画定され、
   前記管収容部には、前記複数の金属板それぞれの一方の対向壁部により、金属板の積層方向に沿って第１凹凸部が形成され、前記複数の金属板それぞれの他方の対向壁部により、金属板の積層方向に沿って第２凹凸部が形成され、
   前記金属板には、第１金属板と、前記第１金属板と前記積層方向に隣り合う第２金属板とが含まれ、
   前記冷却管は、前記第１凹凸部の凸部分を形成する前記第１金属板の対向壁部と、前記第２凹凸部の凸部分を形成する前記第２金属板の対向壁部とに接触した状態で保持されることを特徴とするリニアモータ用電機子。
2. 前記複数の金属板の貫通部は溝状に形成され、
   前記一対の対向壁部には開口側から溝底側に向かうにつれて溝幅が狭まるように傾斜する底辺部が形成され、
   前記冷却管は、前記第１凹凸部の凸部分を形成する第１金属板の対向壁部の底辺部と、前記第２凹凸部の凸部分を形成する第２金属板の対向壁部の底辺部とに接触した状態で保持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. 前記複数の金属板の貫通部は溝状に形成され、
   前記冷却管は、前記第１凹凸部の凸部分を形成する第１金属板の対向壁部と、前記第２凹凸部の凸部分を形成する第２金属板の対向壁部とに接触することにより、これらの溝底面から間隔を空けて保持され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. 前記第１金属板は、前記第２金属板のモータ駆動方向の中心線に対して線対称の形状を有す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. 前記管収容部と前記冷却管の間に充填される樹脂材を更に備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のリニアモータ用電機子。
6. 前記複数の金属板それぞれのモータ駆動方向の端部により、前記金属板の積層方向に沿って凹凸部が形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のリニアモータ用電機子。

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