JP6764797B2 - リニアモータ及びリニアモータの冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、リニアモータ及びリニアモータの冷却方法に関する。

リニアモータは、直線的な方向に動力を発するモータであり、比較的に小型の構造で直線的な動力を得ることができるので多くの分野で用いられている。

リニアモータにおける推力発生機構は、固定子と可動子から構成されている。可動子は、永久磁石を磁極が進行方向に沿って交互に反転するように列設して構成されている。また、固定子は、可動子の永久磁石を挟み込むように配置された複数の磁極と、これらの磁極歯を連続につなぐコアと、複数のコアにまとめて巻きまわされた巻線とからなっている。このような技術は、例えば、特開２０１３−１０２６９５号公報（特許文献１）に記載されている。

特開２０１３−１０２６９５号公報

リニアモータでは、リニアモータの巻線に電流を通電することで固定子を励磁し、電磁力によって可動子に推力を発生させており、巻線では電流に起因した熱が発生する。ここで、一般的に、リニアモータの構造的な強度を得るために、固定子を介在物で補強したり、固定子を金属製のケース等で囲いこむ構造が適用されるため、冷却のために空気等の流体を固定子内側の巻線に吹きかける隙間がなく、冷却が困難であるという課題が有る。

この対策として、冷却口を設ける構造や、冷却媒体の通路を内部に埋め込む等の構造が提案されているが、しかし、構造が複雑になり、また、装置全体が大型化してしまう。

また、一般に、巻線は絶縁体の皮膜や樹脂等で互いに絶縁されたものが使用されており、さらに磁極歯を構成する磁性体は熱伝導率が低いため、巻線からモータ外部空間に至る伝熱経路の熱抵抗が大きくなり、巻線が放熱しにくいという課題がある。また、放熱が小さく、巻線が高温になると、絶縁体が劣化するという課題がある
そこで、本発明は、巻線から外部空間への熱伝導性を高めることで、巻線の温度を低減し、出力や推力を高めたリニアモータ及びリニアモータの冷却方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明によるリニアモータは、極を交互に直列的に並べた永久磁石で構成される磁石列ユニットと、電機子ユニットを有し、前記電機子ユニットは、複数の電機子と、前記電機子の間に挟まれたスペーサで構成され、前記電機子は、前記永久磁石の両面に沿って互いに対向して形成される第１磁極歯と第２磁極歯と、前記第１磁極歯及び当該第２磁極歯を繋ぐ鉄心と、当該第１磁極歯及び当該第２磁極歯の夫々に巻装された電機子巻線で構成されるリニアモータであって、前記鉄心の側面から前記第１磁極歯と前記第２磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第１磁極歯と前記第２磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱する。

本発明によるリニアモータの冷却方法は、極を交互に直列的に並べた永久磁石で構成される磁石列ユニットと、電機子ユニットを有し、前記電機子ユニットは、複数の電機子と、前記電機子の間に挟まれたスペーサで構成され、前記電機子は、前記永久磁石の両面に沿って互いに対向して形成される第１磁極歯と第２磁極歯と、前記第１磁極歯及び当該第２磁極歯を繋ぐ鉄心と、当該第１磁極歯及び当該第２磁極歯の夫々に巻装された電機子巻線で構成されるリニアモータの冷却方法であって、前記リニアモータは、前記鉄心の側面から前記第１磁極歯と前記第２磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第１磁極歯と前記第２磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱する。

本発明によれば、電流の通電に対する巻線の温度上昇を低減し、自然冷却時の定格出力や定格推力を高めたリニアモータを提供できる

本発明のリニアモータの実施例１を示す斜視図である。 図１の断面図である。 図１の他の断面図である。 実施例１における磁束経路の説明図である。 実施例１における熱流束経路の説明図である。 本発明のリニアモータの実施例２を示す斜視図である。 図６の断面図である。 本発明のリニアモータの実施例３を示す斜視図である。 図８の断面図である。 本発明のリニアモータの実施例４を示す断面図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明のリニアモータの構成を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１乃至図５に、本発明のリニアモータの実施例１を示す。

図１は、本発明の実施の一形態によるリニアモータ１００の斜視図である。また、図２は図１におけるＩ−Ｉ断面図、図３は図１におけるII−II断面図である。本実施例は、３相のモータを構成した例であり、電機子ユニット２００と、少なくとも２つ以上の複数の永久磁石１０が並設された磁石列ユニット２１０とが相対的に直線運動をするリニアモータである。電機子ユニット２００と磁石列ユニット２１０は、一方あるいは両方が他の構造物に固定される。一般に磁石列ユニット２１０は可動側として用いられるが、本実施例はこれに限らない。磁石列ユニット２１０は、永久磁石１０−１、１０−２ … 永久磁石１０−ｎを並列的に接続して構成される。永久磁石１０−１、１０−２ … を総称して永久磁石１０と称する。

リニアモータ１００の磁石列ユニット２１０の駆動方向は前後方向である。３つの電機子１０２を電気的に位相が各１２０°ずれるように配置し、３相リニアモータが構成できる。同様にｍ個の電機子において、位相を３６０°／ｍずらすことによりｍ相駆動のリニアモータを構成できる。

電機子ユニット２００は、スペーサ３０−１、３０−２、３０−３、３０−４の間に、各々、電機子１０２−１、１０２−２、１０２−３を挟み込むように構成される。ここで、スペーサ３０−１、３０−２、３０−３、３０−４を総称してスペーサ３０と、電機子１０２−１、１０２−２、１０２−３を総称して電機子１０２と称する。

図２において、磁石列ユニット２１０は、永久磁石１０−１、１０−２、１０−３、１０−４、１０−５、１０−６ … を並列的に接続して構成される。図では、永久磁石１０−１…１０−６は隔離的に記載されているが、永久磁石１０−１…１０−６は互いに固定的に接続されており一体的に移動の動作をする。

矢印１５−１、１５−２は永久磁石１０−１、１０−２の磁化方向を例示的に示す（永久磁石１０−３、１０−４、１０−５、１０−６ … についても同様に磁化されている）。このように、永久磁石１０は磁極歯に対向する面が磁化方向であり、例えば、上下方向へ並行に着磁された永久磁石や、前後左右方向に磁力が勾配を持つように着磁された永久磁石が用いられる。永久磁石列ユニット２１０は、複数の永久磁石を駆動方向に磁石ピッチＰの間隔で並べて構成される。永久磁石列２１０は、隣り合う永久磁石１０の磁化方向が交互になるように配置されている。

図１から図３において、図３に示すように、電機子１０２は、空隙１２２を挟んで対向する第一の磁極歯１１４と、第二の磁極歯１１６と、第一の磁極歯１１４と第二の磁極歯１１６をつなぐ鉄心１１０と、第一の磁極歯１１４と、第二の磁極歯１１６にそれぞれ配置された巻線１０４−１、１０４−２（電機子巻線１０４−１と１０４−２を総称して電機子巻線１０４と称する）で構成されている。第一の磁極歯１１４および第二の磁極歯１１６と鉄心１１０は板状の磁性体（例えばケイ素鋼等）を前後方向に積層して構成される。電機子１０２は上下方向の長さＨ２の空間である開口部４２を有している。深さＨ２は、開口部４２が鉄心１１０を貫いて第一の磁極歯１１６あるいは第二の磁極歯１１４の一部を磁石列ユニット２１０の近くまで削って形成されており、電機子１０２の外部面と第一の磁極歯１１６あるいは第二の磁極歯１１４の底面との間の上下方向長さＨ１に対し、Ｈ２≦Ｈ１の関係を有する。電機子巻線１０４は、導体（例えば、銅等）が絶縁体の皮膜や樹脂で包まれたものである。

電機子ユニット２００は、駆動方向に電機子ピッチＱの間隔で並設させた３つの電機子１０２−１、１０２−２、１０２−３と、並設した電機子１０２−１、１０２−２、１０２−３との間にそれぞれ一つ以上配置したスペーサ３０−２、３０−３と、並設した電機子１０２−１、１０２−２、１０２−３の外側に一つ以上配置したスペーサ３０−１、３０−４とで構成する。スペーサ３０は、鉄よりも熱伝導率の高い物質（例えば、アルミニウムや銅等）で構成される。本実施例におけるスペーサはそれぞれ上下に１つずつ配置しているが、スペーサの形状や個数はこれに限定しない。電機子ピッチＱと磁石ピッチＰの関係は、一般にＰ＝３Ｑ／２であるが、本実施例はこれに限らない。

開口部４２の内側には、ヒートシンク４０が配置されている。ヒートシンク４０は、電機子鉄心１１０とスペーサ３０および第一の磁極歯１１４あるいは第二の磁極歯１１６と接触しており、電機子巻線１０４の周囲の絶縁体と接触していてもよい。ヒートシンク４０は、スペーサ３０と同じ材料あるいはより熱伝導率の高い材料で構成されており、スペーサ３０と同じ材料である場合は、スペーサと一体の構造であっても良い。このように、ヒートシンク４０には、第一の磁極歯１１４あるいは第二の磁極歯１１６よりも十分に熱伝導率の高い物質が用いられる。

図４に電機子１０２が有する鉄心の磁束の経路１１０を示す。磁束の経路１１０は、
電機子巻線１０４−１と１０４−２を囲むように、第一の磁極歯１１４、第二の磁極歯１１６を通り、鉄心１１０を通り、再び、第一の磁極歯１１４に戻るように閉じた経路を形成する。電機子１０２の磁束の経路は、他の電機子の磁束の経路とは独立しているため磁気的な干渉がない。このため、他相からの漏れ磁束による相互インダクタンスの増加やコギング力の増加が小さい。

図５に電機子巻線の通電時に発生する熱を起源とした場合の主な熱流速の経路を示す。本図では、説明のため例として一つの電機子１０２（１０２−１）と両端のスペーサ３０（３０−１、３０−２）のみを示し、内部の構造は破線で示している。電機子巻線１０４で発生した熱は、第一の磁極歯１１４あるいは第二の磁極歯１１６の外側から内側に集まって、ヒートシンク４０近くの鉄心部分あるいはヒートシンク４０に伝わり、熱抵抗の小さいヒートシンク４０を通って上下方向に伝導される。そして、ヒートシンク４０からスペーサ３０を介して外部に熱が放出される。

このとき、スペーサ３０の構成材料の熱伝導率がヒートシンク４０と同等以上である場合、熱流束はヒートシンク４０からスペーサ３０を介して外部の空間に効率良く放熱される。

このような本実施例の構成とすることにより、電機子巻線１０４から放熱端である電機子２００の外側までの伝熱経路の熱抵抗が小さくなり、コイル中心部の放熱効率が向上するため、コイル温度が低減される。コイル温度が低減されることにより、より大きな電流を巻線に通じることが可能になり、リニアモータの最大出力を増加できる。さらに、電機子巻線の周囲の絶縁体の温度が下がるため、熱に起因した絶縁体の劣化を防ぎ、リニアモータの耐用寿命を伸ばす効果がある。また、ヒートシンク４０とスペーサ３０とが任意の接触面で一体の構造物として構成される場合、接触部分の熱抵抗が無くなることで電機子巻線の冷却効果をさらに高めることも可能である。

ここで、リニアモータ１００の動作を説明する。電機子１０２−１、１０２−２、１０２−３の３相のコイルは互いに１２０度ずれた位置に配置されている。ここに３相交流電流が流される。３相交流電流は互いに時間位相が１２０度ずれた交流である。電機子１０２−１、１０２−２、１０２−３の３相のコイルの位置と、流される３相交流電流の位相が１２０度ずれているため、結果として、コイルに流れた電流がつくる３相の重なった磁界は常に移動する２つの磁極を発生する。これは、一般に回転磁界と呼ばれる現象であり、リニアでは移動磁界と呼ぶ。移動磁界の磁束密度分布は、１８０度ずれた位置にＮ極とＳ極のピークを持っているので、この移動磁界と磁石列ユニット２１０の永久磁石１０のＮ極Ｓ極との磁気的な相互作用（吸引・反発）により、リニアモータ１００は駆動される。

図６乃至図７に、本発明のリニアモータの実施例２を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ３００は、その構成は特に言及する以外は実施例１と同様である。

該図に示す本実施例では、実施例１に示したリニアモータと略同様な構成であるが、図２に示したリニアモータの開口部４２がふさがり、鉄心の内部の空間に窓部５２が設けられている。窓部５２には、ヒートシンク４０が嵌めこまれている。窓部の上下方向の長さＨ３は、電機子１０２の外部面と磁極歯１１６あるいは１１４の底面との間の上下方向長さＨ１に対し、Ｈ３＜Ｈ１の関係を有する。

このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、電機子１０２の剛性が大きくなり、特に左右方向からの外力に対する変形量が小さくなる効果が得られる。

図８乃至図９に、本発明のリニアモータの実施例３を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ４００は、その構成は特に言及する以外は実施例１と同様である。

該図に示す本実施例では、実施例１に示したリニアモータと略同様な構成であるが、鉄心１１０と電機子巻線１０４との間にはヒートシンク６０が備えられ、電機子１０２はヒートシンク６０が一つ以上配置されている。ヒートシンク６０は、電機子鉄心１１０とスペーサ３０と接触している。また、ヒートシンク６０は、電機子巻線１０４の周囲の絶縁体に近接しており、ヒートシンク６０と絶縁体との間に空隙が生じる場合は空隙を金属製（例えばアルミや銅等）の薄板で充填してもよい。ヒートシンク６０は、スペーサ３０と同じ材料あるいはより熱伝導率の高い材料で構成されており、スペーサ３０と同じ材料である場合は、スペーサと一体の構造であっても良い。

このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、スペーサ６０が熱源である電機子巻線１０４の伝熱部材となり、放熱端である電機子外部に至る伝熱経路が増加するため、電機子巻線１０４から電機子外部までの熱抵抗が低減され、スペーサ３０からの放熱量が増え、電機子巻線の温度を低減する効果が得られる。

なお、実施例２のようにヒートシンク４０が開口部ではなく、窓部に嵌めこまれた構造においても同様の効果が得られる。

図１０に、本発明のリニアモータの実施例４を示す。該図に示す本実施例のリニアモータ５００は、その構成は特に言及する以外は実施例３と同様である。

該図に示す本実施例では、実施例３に示したリニアモータと略同様な構成であるが、ヒートシンク６２の端部に突起部６５が設けられている。ヒートシンク６２の突起部は電機子巻線１０４の角部に近接し、接触していても良い。

このような本実施例によれば、実施例３と同様な効果が得られることは勿論、ヒートシンク６２の突起部により、電機子巻線が磁極歯から抜け落ちることを防止することが可能である。

１０ 永久磁石
１５ 磁化方向
４０、６０、６２ ヒートシンク
４２ 開口部
５２ 窓部
６５ 突起部
１００、３００、４００、５００ リニアモータ
１０２ 電機子
１０４ 電機子巻線
１１０ 鉄心
１１４ 第１の磁極歯
１１６ 第２の磁極歯
１２２ 空隙
２００ 電機子ユニット
２１０ 磁石列ユニット

Claims (8)

1. 極を交互に直列的に並べた永久磁石で構成される磁石列ユニットと、電機子ユニットを有し、前記電機子ユニットは、複数の電機子と、前記電機子の間に挟まれたスペーサで構成され、前記電機子は、前記永久磁石の両面に沿って互いに対向して形成される第１磁極歯と第２磁極歯と、前記第１磁極歯及び当該第２磁極歯を繋ぐ鉄心と、当該第１磁極歯及び当該第２磁極歯の夫々に巻装された電機子巻線で構成されるリニアモータであって、
   前記鉄心の側面から前記第１磁極歯と前記第２磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第１磁極歯と前記第２磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、
   前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、
   前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱するリニアモータ。
2. 請求項１に記載されたリニアモータであって、
   前記ヒートシンクが前記電機子巻線の内側に配置されたリニアモータ。
3. 請求項１または請求項２に記載されたリニアモータであって、
   前記ヒートシンクが前記電機子巻線の外側に配置されたリニアモータ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載されたリニアモータであって、
   前記ヒートシンクが前記スペーサと同一の物質であるリニアモータ。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載されたリニアモータであって、
   前記ヒートシンクが前記スペーサと異なる物質であるリニアモータ。
6. 請求項４に記載されたリニアモータであって、
   前記ヒートシンクが任意の接触面で前記スペーサと一体に形成されたリニアモータ。
7. 請求項３に記載されたリニアモータであって、
   前記電機子巻線の外側に配置された前記ヒートシンクが前記電機子巻線の抜け落ちを阻む形状に構成されたリニアモータ。
8. 極を交互に直列的に並べた永久磁石で構成される磁石列ユニットと、電機子ユニットを有し、前記電機子ユニットは、複数の電機子と、前記電機子の間に挟まれたスペーサで構成され、前記電機子は、前記永久磁石の両面に沿って互いに対向して形成される第１磁極歯と第２磁極歯と、前記第１磁極歯及び当該第２磁極歯を繋ぐ鉄心と、当該第１磁極歯及び当該第２磁極歯の夫々に巻装された電機子巻線で構成されるリニアモータの冷却方法であって、
   前記リニアモータは、前記鉄心の側面から前記第１磁極歯と前記第２磁極歯の夫々に向かって突出するように設けられ、前記第１磁極歯と前記第２磁極歯よりも熱伝導率の高い物質により構成されるヒートシンクを備え、
   前記スペーサは、前記鉄心および前記ヒートシンクと接触し、前記鉄心よりも熱伝導率の高い物質で構成され、
   前記電機子巻線で発生した熱を前記ヒートシンクから前記スペーサを介して外部に放熱するリニアモータの冷却方法。

Images