JPH11127569A

JPH11127569A - リニアモータ

Info

Publication number: JPH11127569A
Application number: JP29060897A
Authority: JP
Inventors: Masaki Taketomi; 正喜武富
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Hitachi Metals Kiko Co Ltd
Current assignee: Neomax Kiko Co Ltd; Proterial Ltd
Priority date: 1997-10-23
Filing date: 1997-10-23
Publication date: 1999-05-11
Anticipated expiration: 2017-10-23
Also published as: JP3446563B2

Abstract

(57)【要約】【課題】リニアモータの可動コイルなどの電機子コイ
ルにおける通電時の発熱量を抑えることである。【解決手段】偏平コイルａ、ｂ、ｃからなる多相構成
の可動コイルのコイルフレーム８０の板面に平に設ける
偏平コイルａに平角線を使用する。その上に構成する他
の偏平コイルｂ、ｃには丸線を使用して、駆動電流通電
時の可動コイルの発熱量を抑えることにより、リニアモ
ータの永久磁石側の熱減磁による推力低下を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石と電機子
コイルとを相対的に移動させる方式のリニアモータで、
電機子コイルに平角線を使用して通電時の発熱量を抑え
る技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、長ストロークを移動し、位置
決めを行うための駆動装置として、隣接する磁極が相互
に異なるように着磁され、異なる極性の磁極が対向する
ように磁気空隙を介してヨークに固着配置された複数個
の永久磁石と、この磁気空隙内に設けられた電機子コイ
ルとを有し、前記電機子コイルに駆動電流を流すことに
より、永久磁石と電機子コイルとを相対的に移動させる
ように構成したリニアモータが知られている。

【０００３】かかる構成のリニアモータには、永久磁石
側を一定の磁気空隙を設けて対面固定して、この磁気空
隙内に電機子コイルを移動させるようにした可動コイル
型リニアモータと、逆に電機子コイル側を固定して、永
久磁石側を移動させるようにした可動磁石型リニアモー
タの両形式がある。

【０００４】例えば、従来の可動コイル型リニアモータ
では、隣接する磁極の極性、および対向する磁極の極性
を相互に異なるように配置し、かつ長手方向に一様な空
隙を有した磁気帯路部と、上記磁気空隙部の磁束と巻線
方向とが直交するようなコイルを複数個積層した偏平コ
イル部との組合せからなっている。

【０００５】かかる構成では、連続して長ストロークを
移動させるため、少なくとも２個以上のコイルをずらし
て配置し、いわゆる多相コイルとして構成し、磁極の方
向を磁界検出素子で検出して、電流を流すコイル及びそ
の方向を切り換えている。

【０００６】永久磁石の境界に位置しているコイルには
電流を流さないため、できるだけ多相コイルに構成し
て、順次切り換えて駆動できるようにした方がよい。例
えば、Ｎ相コイルの場合には、コイル全長のＮ分の（Ｎ
−１）部分で電磁力が発生するため、多相にするほど大
きくかつリップルの小さい電磁力が発生することとな
る。

【０００７】しかし、一方では、偏平コイルを相数分多
層に積層することとなるため、その分磁気回路部の磁気
空隙を広げなければならない。通電するコイルの部分が
長くなる反面、磁気空隙が広くなる分磁束密度が低下す
るので、結果的には電磁力を効率よく発生させることが
できない。

【０００８】そこで、磁気空隙を小間隔に維持しつつ、
単位磁石当たりのコイル巻数を多くして、大きな移動力
が得られるように、偏平コイルを多相に構成するに際し
て、それぞれの偏平コイルの中央部をそれぞれのコイル
幅分ずらして同一平面上に配列し、偏平コイルの中央部
を一相分の厚さに規制する手段がとられる。

【０００９】一方、このようにして磁気空隙を広げるこ
となく複数個の偏平コイルを多相に構成させることはで
きたが、多相に構成した分通電時のコイルの発熱量が大
きくなり、今度はかかる点の解決が求められた。コイル
の発熱は、狭い磁気空隙を介して配置されている永久磁
石に伝えられ、永久磁石では熱減磁により発生磁束が減
少して、リニアモータの推力が低下する。

【００１０】さらに、コイルの発熱は、コイル自体の電
気抵抗を上昇させ、ジュール熱の損失を増大させる結果
となり、実効電力の減少に繋がる。

【００１１】そのため、発熱による弊害が実際上問題と
ならないようにするためには、コイルへの通電量を抑
え、その分、リニアモータの推力をある程度犠牲にせざ
るをえない。

【００１２】さらに、コイルの発熱による雰囲気温度の
上昇により、リニアガイドが熱変形して位置決め精度が
低下する場合があることも報告されている。

【００１３】かかる発熱による弊害を防ぐ手段として、
空冷あるいは水冷によるコイルの冷却手段が種々提案さ
れている。

【００１４】空冷方式では、例えば可動磁石型リニアモ
ータにおいて、界磁マグネットの磁路を閉じるためのヨ
ークの一部を除去し、界磁マグネットの配置されていな
いヨーク部に透孔を設けて、この透孔を介してスタータ
電機子側に冷風を送るための冷却ファンを設ける手段が
知られている（特開平６−１６５４７２号）。

【００１５】あるいは、可動磁石型リニアモータにおい
て、界磁マグネットとヨークとからなる可動子を分割し
ておき、この分割した可動子間にコアレスステータ電機
子側に送風用の冷却ファンを設ける手段もある（特開平
６−１６５４７４号）。

【００１６】水冷方式としては、コイルを直接冷媒によ
り冷却する手段が知られている（実開平６−４１３８１
号）。冷媒供給口と冷媒排気口とを設けた気密容器内に
コイルを収納し、水などの冷媒を供給してコイルを直接
冷却し、排出して放熱器で放熱した冷媒を再び容器に戻
す方式である。

【００１７】さらには、間接的に冷媒で冷却する水冷式
の方法も知られている。例えば、空心のあるコイルを平
面状、かつ梯子状に配置した電機子の幅方向の両端部
に、長尺支持部材を設け、この長尺支持部材中に冷媒を
流す方法である。コイルから伝熱により長尺支持部材に
伝わった熱を冷媒で間接的に除去する手段である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】従来のリニアモータ
は、その内部は気流が流れやすい構造にはなっていない
ため、空冷方式では、十分かつ均一な冷却が期待できな
い場合がある。さらに、空冷方式では、冷却ファンの設
置スペースが必要となり、小型化が図りにくい。

【００１９】一方、コイルを直接冷媒で冷却する水冷方
式では、空冷方式に比べて十分に均一な冷却が行える反
面、コイルを冷却する容器の外に界磁マグネットを設置
するため、コイルと界磁マグネットを十分に接近させる
ことができない。その結果、リニアモータの推力が制限
される。

【００２０】さらに、コイルが冷媒と直接接触する上記
水冷方式では、冷媒に水を使用するとコイルにおける錆
の発生が問題となり、また、油を使用すると防爆の点で
安全性が問題となる。

【００２１】一方、間接的に冷媒で冷却する水冷方式で
は、かかる直接式における問題点は避けられるものの、
冷却面積が十分にとれず、その分冷却効率が劣るという
問題がある。また、コイルの冷却速度は、コイルの伝熱
速度、電機子に設ける長尺支持部材の伝熱速度、コイル
と長尺部材との接触面の伝熱速度が律速となるため、十
分なコイル冷却が期待できない場合もある。

【００２２】本発明の目的は、リニアモータにおける偏
平コイルを多相構成した電機子コイルの発熱量を抑える
ことができるようにすることにある。

【００２３】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００２５】すなわち、本発明では、先ず、相隣る磁極
の極性が相互に異なるように、かつ異なる極性の磁極が
対向するように、磁気空隙を介してヨークに配置された
複数個の永久磁石と、この磁気空隙内に設けられた電機
子コイルとを有し、この電機子コイルに駆動電流を流す
ことにより、永久磁石と電機子コイルとを相対的に移動
できるように可動コイル型リニアモータ、または可動磁
石型リニアモータを構成しておく。

【００２６】さらに、上記構成のリニアモータに使用さ
れる電機子コイルを、複数の偏平コイルをそれぞれの中
央部をコイル幅分ずらして配列する多相コイルに構成し
たので、この電機子コイルを構成する偏平コイルに平角
線を使用して、同一通電量、同一口径、同一断面積で、
丸線を使用する場合よりも、通電時の発熱量を抑えるこ
とができる。

【００２７】平角線の巻線では、丸線に比べて同一スペ
ースでも断面部分に線間の不要な空隙が発生せず、実質
的にコイル導線の断面積を大きくしたと同様の効果が得
られる。特に、平角線は、曲げ加工が面倒であるため、
多相構成にされている偏平コイルのうち平に配置される
偏平コイルに限って使用すればよい。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【００２９】本実施の形態では、電機子コイル１０を可
動コイル１０ａに構成した可動コイル型リニアモータを
例にとり説明する。

【００３０】かかる可動コイル型リニアモータでは、図
１に示すように、複数個の永久磁石２０を長手方向に配
置して走行路を形成する静止部Ａが設けられている。

【００３１】静止部Ａは、中央に一定間隔の磁気空隙が
直線状に磁気空隙路３０として構成されるように、直線
状の磁石帯路４０が対面して設けられている。

【００３２】両側に設けた磁石帯路４０のそれぞれは、
直方体の永久磁石２０をその磁極を順次反転させて、隣
接する磁極同士が互いに異極となるように一列に密着さ
せられて形成されている。個々の永久磁石２０は、サイ
ドヨーク５０に上記要領で配列固定されて、直線状の磁
石帯路４０をそれぞれ形成している。

【００３３】永久磁石２０のサイドヨーク５０への固定
は、接着剤を使用した接着固定でもよいし、あるいは修
理時の取外しができるようにビス止めにより固定しても
構わない。

【００３４】このようにして構成した直線状の磁石帯路
４０に対面して、所定間隔の磁気空隙あけて、もう一方
の側の磁石帯路４０が、上記要領で永久磁石２０をサイ
ドヨーク５０に固定することにより形成されている。

【００３５】さらに、磁石帯路４０を構成するそれぞれ
の永久磁石２０は、間に磁気空隙路３０を挟んで、異な
る極性の磁極が対向するように配列されている。

【００３６】一方、上記要領で中央に所定間隔の磁気空
隙をあけて直線状に対面配列させた両磁石帯路４０は、
その両端側がエンドヨーク６０に、その下端側がプレー
ト７０（図２）上に一体に組み付けられて、全体として
静止部Ａが形成されている。

【００３７】また、上記構成のサイドヨーク５０、エン
ドヨーク６０、プレート７０は、軟鋼などの強磁性材料
により形成されている。

【００３８】このようにして構成された静止部Ａでは、
対面する永久磁石２０、隣接する永久磁石２０のそれぞ
れの磁極が異極となるように構成されているので、図１
に示すような磁束線Ｂが発生する。これに併せて、両磁
石帯路４０間に形成された直線状の磁気空隙路３０に
は、その長手方向に垂直な磁束が存在している。

【００３９】一方、上記構成の磁気空隙路３０に沿って
可動子Ｃに構成した電機子コイル１０を移動させる可動
部Ｄは、図２に示すように、両磁石帯路４０の対面する
永久磁石２０間の磁気空隙路３０に設けた可動コイル１
０ａ（１０）と、コイル固定治具１１と、そのコイル固
定治具１１側に設けたテーブル１２と、リニアガイド１
３とから構成されている。

【００４０】可動コイル１０ａは、コイル固定治具１１
によりテーブル１２に固定されて、さらに、テーブル１
２に固定されているリニアガイド１３の下開口の断面略
凹型に形成されたスライダ部１４で、静止部Ａに固定さ
れている断面略凸型の軌道台１５と噛み合わされ、軌道
台１５に沿って移動できるようになっている。

【００４１】上記可動コイル１０ａは、図３に示すよう
に、偏平コイルａ、ｂ、ｃを多相に重ねて形成されてい
る。偏平コイルａ等の巻線は、磁束に直交した長手方向
の面内に構成されている。

【００４２】さらに、両磁石帯路４０の永久磁石２０間
に挟まれる部分では、可動コイル１０ａは、図２、４、
５に示すように、一相の厚さに構成されている。また、
可動コイル１０ａの上下端部側は多相に重ねた偏平コイ
ルａ、ｂ、ｃの３相分厚くなっている。

【００４３】可動コイル１０ａは、図３、４に示すよう
に、本実施の形態では、コイルフレーム８０の両面に、
３個の偏平コイルａ、ｂ、ｃがコイル幅Ｌ分ずつずらさ
れて、中央部分が一相分の厚さになるように３相に構成
されている。

【００４４】コイルフレーム８０は、推力リップルの発
生を防止するため、非磁性材料により形成されている。
表面にアルマイト処理を施して絶縁性を付与したアルミ
ニウム合金を基材として、その表面に、例えばガラス入
りエポキシ樹脂などの合成樹脂基板を装着して、この合
成樹脂基板面に偏平コイルａ、ｂ、ｃが３相に設けられ
ている。

【００４５】上記構成のコイルフレーム８０の中央の平
坦面上に、偏平コイルａ（図中、右上がり斜線表示）が
平面的に設けられている。かかる偏平コイルａに、平角
線が使用されている。偏平コイルａのコイル幅Ｌは、本
実施の形態では、永久磁石２０の長さの３分の１の幅に
設定され、巻線で囲まれた中央空き部分（破線表示）Ｅ
は、コイル幅Ｌの２倍の幅２Ｌになるように設定されて
いる。

【００４６】かかる偏平コイルａに、巻線に曲げ変形さ
せ易い丸線を使用した偏平コイルｂが、中央部をコイル
幅Ｌ分ずらして重ねられている。偏平コイルｂ（図中、
散点表示）は、図４に示すように、偏平コイルｂの巻線
が偏平コイルａの中央空き部分Ｅに入るように、コイル
幅Ｌ分ずらして設けられている。

【００４７】偏平コイルａの中央空き部分Ｅでは、図５
（ａ）に示すように、偏平コイルａと偏平コイルｂとが
互いに重なることはないので１相分の厚さとなるが、偏
平コイルａの上下部分では、図５（ｂ）に示すように、
偏平コイルｂが重なり２相分の厚さとなっている。

【００４８】このようにして２相分重ねられた偏平コイ
ルａ、ｂの上に、図３、４に示すように、さらに偏平コ
イルｃ（図中、右下がり斜線表示）が重ねられて３相に
構成されている。

【００４９】３相目の偏平コイルｃには、偏平コイルｂ
と同様に曲げ変形させ易い丸線が使用され、偏平コイル
ａの中央空き部分Ｅにコイル幅Ｌ分ずらして先に並べた
偏平コイルｂの横に、さらにコイル幅Ｌ分ずらして設け
られている。偏平コイルａ、ｂ、ｃが、偏平コイルａの
中央空き部分に３相並べて設けられている。

【００５０】従って、偏平コイルａの中央空き部分Ｅで
は、図５（ｃ）に示すように、３個の偏平コイルａ、
ｂ、ｃは重なることがなく、１相分の厚さになってい
る。一方、偏平コイルａの上下部分では、図３、５
（ｃ）に示すように、順次、偏平コイルｂ、ｃが重ねら
れ、３相分の厚さになっている。

【００５１】かかる偏平コイルａ、ｂ、ｃの３相の重な
りは、図５に示すように、コイルフレーム８０の両面に
構成されている。

【００５２】なお、多相に構成する偏平コイルの数は、
３個に限る必要はなく、４個以上使用しても構わない。
さらには、コイルフレーム８０の片面側にのみ偏平コイ
ルを設けるようにしても構わない。

【００５３】また、上記説明の可動部Ｄでは、両側の磁
石帯路４０のサイドヨーク５０に挟まれた状態で中央に
磁気空隙路３０を一本構成したが、サイドヨーク５０の
中央にセンターヨークを設けて磁気空隙路３０を二本平
行に通し、両磁気空隙路３０に上記要領で可動コイル１
０ａを移動できるようにしておいても構わない。

【００５４】図５（ａ）では、コイルフレーム８０の両
面に、偏平コイルａが平に設けられている。図５（ｂ）
では、上記コイルフレーム８０の両面に平に設けた偏平
コイルａの上に、中央空き部分Ｅでは重ねずに、上下部
分を重ねて偏平コイルｂが重ねられている。図５（ｃ）
では、上記コイルフレーム８０の両面に平に設けた偏平
コイルａ、それに重ねた偏平コイルｂの上に、中央空き
部分Ｅでは重ねずに、上下部分を重ねて偏平コイルｃが
重ねられている。

【００５５】また、上記構成の偏平コイルａ、ｂ、ｃ
は、可動コイル１０ａとして磁気空隙路３０を移動する
に際して、可動コイル１０ａが通過して行くにつれて両
側の磁石帯路４０側の永久磁石２０の磁極の極性が順次
逆になって行くが、かかる極性の逆になるのに追従し
て、可動コイル１０ａに電流が順次逆向きに流れるよう
に、電源側に接続されている。

【００５６】かかる電源側への接続は、例えば、磁気検
出素子や、光学的位置検出素子を使用して位置検出し、
その検出信号に基づいてそれぞれの偏平コイルａなどへ
の電流の向きを変えるように構成されている。

【００５７】このようにして、本実施の形態の可動コイ
ル１０ａは、図４に示すように、両磁石帯路４０の対面
する永久磁石２０間の磁気空隙に収められる部分は、偏
平コイルａの１相分の厚さに抑え、その磁気空隙から外
れる部分が３相に重なった構成に形成されている。

【００５８】一方、偏平コイルを３相に構成した従来の
可動コイル１０ａでは、全ての偏平コイルに丸線が使用
されているが、本実施の形態では、コイルフレーム８０
に平に設ける偏平コイルａには、平角線が使用されてい
る。

【００５９】そのため、従来構成の可動コイルとは異な
り、平角線を使用した方が線間の未使用スペースがな
く、同一断面積で丸線を使用する場合よりも、実質的に
導線を太くしたのと同様の効果が発生し、丸線を使用し
た偏平コイルｂ、ｃよりも発熱量を低く抑えることがで
きる。

【００６０】このようにして、本実施の形態のリニアモ
ータでは、従来の多相偏平コイルからなる可動子コイル
に比して、発熱量を低く抑えることができる分、永久磁
石２０の温度上昇を防止して、熱減磁による推力低下を
防止することができる。

【００６１】なお、上記実施の形態では、多相構成する
偏平コイルａ、ｂ、ｃでは、その上下部分で３相に重ね
た構成にしたが、磁気空隙から外れる上下部分では、偏
平コイルａ、ｂ、ｃは必ずしも重ねなくてもよい。

【００６２】磁気空隙路３０を外れた上下空間側では、
左右に永久磁石２０などが迫っていない自由空間である
ため、構成上許される範囲内で、偏平コイルａ、ｂ、ｃ
の形状は自由な構成が考えられる。例えば、図６の断面
図に示すように、偏平コイルａ、ｂ、ｃ間に空間を設け
て、各偏平コイルａ、ｂ、ｃの放熱が起きやすいように
構成しても構わない。

【００６３】かかる構成の偏平コイルａ、ｂ、ｃからな
る可動コイル１０ａを有する可動コイル型リニアモータ
は、以下のようにして作動する。

【００６４】図７に示すように、偏平コイルａ（図中、
右上がりの斜線表示）、偏平コイルｂ（図中、散点表
示）に、同方向の駆動電流を流すと、図中（Ａ）で示す
ように、偏平コイルａ、ｂに紙面右向き方向（矢印方
向）に力が作用して可動コイル１０ａが移動する。偏平
コイルａ、ｂに流す電流方向を、図中ａ’、ｂ’で示
す。

【００６５】次に、偏平コイルａが二番目の永久磁石２
０の中央位置まで移動すると、その位置を例えば磁気検
出素子などで検出して、偏平コイルａ、ｂへの駆動電流
の印加が、上記要領で、偏平コイルｂ、ｃの駆動電流の
印加へと変えられる。偏平コイルｂ、ｃの電流方向をそ
れぞれｂ’、ｃ’で示す。

【００６６】このようにして駆動電流の印加を偏平コイ
ルｂ、ｃ側に変えることにより、図中（Ｂ）で示すよう
に、偏平コイルｂ、ｃに紙面右向き方向（矢印方向）に
力が作用して、可動コイル１０ａは図中（Ｃ）に示す位
置まで移動する。

【００６７】かかる要領で、偏平コイルａ、ｂ、偏平コ
イルｂ、ｃと、順次駆動電流の切り換えを行うことによ
り、可動コイル１０ａは連続的に磁気空隙路３０を移動
することができる。

【００６８】本実施の形態では、可動コイル型リニアモ
ータを代表例として説明したが、可動磁石型リニアモー
タの固定側に使用される電機子コイルに、上記要領で平
角線を使用した多相コイルを適用しても同様である。

【００６９】以上、本発明者によってなされた発明を実
施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記の
形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００７０】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下のとおりである。

【００７１】（１）．本発明では、電機子コイルを構成
する多相コイルの偏平コイルに平角線を使用しているた
め、従来のように丸線のみを使用している場合に比べ
て、可動時の電機子コイルの発熱量を抑えることができ
る。

【００７２】（２）．本発明では、多相コイルに構成さ
れた電機子コイルのコイルフレームに平に設けられる方
の偏平コイルに平角線を使用しているので、平角線の曲
げ加工を省くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリニアモータの一実施の形態を示す平
面構成図である。

【図２】本発明のリニアモータの可動部の構成を示す断
面図である。

【図３】可動コイルにおける多相コイルの構成を示す斜
視図である。

【図４】可動コイルにおける多相コイルの構成を示す平
面図である。

【図５】（ａ）は、図４の可動コイルにおける多相コイ
ルの構成を示すＡ−Ａ線による断面図である。（ｂ）
は、図４の可動コイルにおける多相コイルの構成を示す
Ｂ−Ｂ線による断面図である。（ｃ）は、図４の可動コ
イルにおける多相コイルの構成を示すＣ−Ｃ線による断
面図である

【図６】偏平コイルの多相構成の変形例を示す断面図で
ある。

【図７】リニアモータの作動状況を示す説明図である。

【符号の説明】

１０電機子１０ａ可動コイル１１コイル固定治具１２テーブル１３リニアガイド１４スライダ部１５軌道台２０永久磁石３０磁気空隙路４０磁石帯路５０サイドヨーク６０エンドヨーク７０プレート８０コイルフレームａ偏平コイルｂ偏平コイルｃ偏平コイルＡ静止部Ｂ磁束線Ｃ可動部Ｄ可動子Ｅ中央空き部分Ｌコイル幅

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】隣接する磁極の極性が相互に異なり、か
つ異なる極性の磁極が対向するように、磁気空隙を介し
てヨークに配置された複数個の永久磁石と、この磁気空
隙内に設けられた電機子コイルとを有し、前記電機子コ
イルは、複数個の偏平コイルのそれぞれの中央部がコイ
ル幅分順次ずらされて同一平面上に、前記中央部が一相
分の厚さになるように配列されて、前記電機子コイルに
駆動電流を流すことにより、前記永久磁石と前記電機子
コイルとを相対的に移動させるようにしたリニアモータ
であって、前記電機子コイルの偏平コイルに平角線が使用されてい
ることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】請求項１記載のリニアモータにおいて、前記平角線は、複数配列される偏平コイルのうち、コイ
ルフレームに平に配置される偏平コイルに使用されてい
ることを特徴とするリニアモータ。