(57)【要約】【課題】電機子コイルの冷却効率がより優れ、リニアモータのサイズに対して制約が少ないコアレス構造のリニアモータと冷却システムを提供する。【解決手段】中空部分を有する管状のコイル電線７を所定巻数周回させた複数のコイルユニット８を所定の部分で相互に電気的に導通させてそれらのコイルユニット８を積層して成る複数の電機子コイル５に、電機子コイル５を固定するモールド樹脂１２を支持するコイルベース１１に設けられた供給管路６６から加圧供給源６３で送り出された冷却水などの冷媒を供給する。電機子コイル５のコイル電線７からの冷却水は、コイルベース１１に設けられた排出管路６７からコイルベース１１外に導出する。【選択図】　図４
2004120823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空心形の電機子コイルを長手方向に配列しモールド樹脂で固定したコアレス構造のリニアモータの前記電機子コイルを液体を冷媒として冷却する冷却システムであって、
中空部分を有する管状のコイル電線を所定巻数周回させた複数のコイルユニットを所定の部分で相互に電気的に導通させて前記コイルユニットを積層して成る複数の電機子コイルと、
前記電機子コイルを固定する前記モールド樹脂を支持するコイルベースと、
前記コイルベースに設けられ前記コイルユニットの前記コイル電線の中空部分に前記冷媒を供給する供給管路と、
所定の圧力の前記冷媒を前記供給管路に送り出す加圧供給源と、
前記コイルベースに設けられ前記コイルユニットの前記コイル電線の中空部分から出される前記冷媒を前記コイルベース外に導出する回収管路と、
を含むコアレス構造のリニアモータの冷却システム。
【請求項２】
空心形の電機子コイルを長手方向に配列しモールド樹脂で固定したコアレス構造のリニアモータにおいて、
中空部分を有する管状のコイル電線を所定巻数周回させた複数のコイルユニットを所定の部分で相互に電気的に導通させて前記コイルユニットを積層して成る複数の電機子コイルと、前記電機子コイルを固定する前記モールド樹脂を支持するコイルベースと、前記コイルベースに設けられ前記コイルユニットの前記コイル電線の中空部分に液体の冷媒を供給する供給管路と、前記コイルベースに設けられ前記コイルユニットの前記コイル電線の中空部分から出される前記冷媒を前記コイルベース外に導出する回収管路と、を含む一次側固定子と、
前記一次側固定子を挟んで設けられ異なる磁極の永久磁石を前記長手方向に交互に配列した２つのマグネットヨークを含む二次側固定子と、
を含むコアレス構造のリニアモータ。
【請求項３】
前記マグネットヨークに設けられる永久磁石は、相対向する永久磁石の磁極が異なるように配列されることを特徴とする請求項１に記載のコアレス構造のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電機子コイルの鉄心のないコアレス構造のリニアモータの冷却システムおよびコアレス構造のリニアモータに関する。特に、液体を冷媒として電機子コイルを冷却するリニアモータの冷却システムおよびその冷却システムを採用したコアレス構造のリニアモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
リニアモータは、電気機械変換機の１種であり、電気エネルギを供給して電流力や磁気力によって二次側可動子に直線運動を付与する。したがって、推力を得るためには、電機子コイルに電流を流す必要があるが、コイルに電流を流した結果、コイル線材の抵抗により発生するジュール熱によりコイルが発熱し、また発生する渦電流によって周辺の部材が発熱する。リニアモータの機種によって差異はあるが、直線運動の推力を大きくするためにはコイルに流す電流を大きくする必要があるので、リニアモータの出力が高出力であれば、それだけ発熱によるエネルギ損失は大きくなる。また、発熱によるコイルや周辺部材の損傷が生じる虞れがある。そのため、一般的に、リニアモータの定格推力は、コイルを絶縁しているエナメルなどの被覆材やコイルをモールドする成形樹脂材が変形しない許容温度により決定している。
【０００３】
このようなことから、比較的高出力が要求されるリニアモータは、より効率よくコイルを冷却するために、単なるファンなどによる空冷ではなく、水などの液体の冷媒を介して電機子コイルや周辺部品を冷却する冷却システムが設けられているのがふつうである。これまで知られているリニアモータの冷却システムは、機種による構造上の差異によって冷媒の通路が多種多様であるのでその比較は困難であるが、大きく分けると次の２つのタイプがある。１つは、電線が巻き回された鉄心に設けられた空洞に冷媒を供給するタイプのものであり、鉄心を冷却することによってコイルを冷却する。もう１つは、冷媒を通す管路を巻線に接触するように設けるタイプのものであり、管路に冷媒を供給することによってコイルを冷却する。
【０００４】
ところで、リニアモータの機種の中で電機子コイルの鉄心がないコアレス構造のリニアモータが知られている。このようなコアレス構造のリニアモータは、有鉄心のリニアモータに対して推力には劣るものの、鉄心と磁石が吸引し合う力が存在せず案内機構や支持機構の負担が比較的小さくできるという特徴を有している。コアレス構造のリニアモータにおける基本的な電機子コイルは、厚みが薄い平板状の空心形の構造を有している。この電機子コイルの基本的な配列は、順番に隣り合わせに並べた並列タイプと、少しずつ長手方向にずらせて重ねて並べた重畳タイプがあり、この配列は各相を１組としユニット単位で変形されることがある。
【０００５】
コアレス構造のリニアモータは鉄心が存在しないので、少なくとも上述したような鉄心に空洞を設けて冷媒によってコイルを直接冷却するという冷却システムは採用できない。そのため、コアレス構造のリニアモータでは、電機子コイルの基板側に冷媒を通す管路を配置するか、または電機子コイルの空心部分に冷媒を通す管路を配置した構成の冷却システムが採用される。コアレス構造のリニアモータの冷却システムの例として、特許文献１あるいは特許文献２が参照される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１７１７４２号公報
【特許文献２】
特開平１０−２３７３５号公報
【特許文献３】
特開平３−１６４０５８号公報
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷媒を通す管路を電機子コイルに接触するように設けた冷却システムでは、冷媒を通す管に渦電流が発生してエネルギ損失を生じる。その反面、電気抵抗の大きい材質で冷媒を通す管を形成すると、熱伝導度が比較的低くなりコイルを冷却する効率が悪くなる。また、空心部分に冷却管を通すと電機子コイルの厚さが大きくなる。そして、コイル線材は多層に巻き回されているので、上記冷却システムの構成ではコイル線材を均一に効率よく冷却するには不十分であり、より効率のよい冷却システムが望まれている。コアレス構造のリニアモータにおける電機子コイルの冷却効率が向上すれば、コイルに流す最大の電流値とコイルに対向配置される永久磁石の磁力とを含むリニアモータの“サイズ”に対して定格推力をより大きくすることができるのである。なお、ここでいう定格推力とは、既に述べたように、リニアモータを構成する部材が変形に耐え得る許容温度を越えない範囲でコイルに流せる電流値に依存して得られる最大の推力である。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みて、電機子コイルの冷却効率がより優れるコアレス構造のリニアモータの冷却システムおよびコアレス構造のリニアモータを提供することを主たる目的とする。また、本発明は、リニアモータのサイズに対して制約が少ないリニアモータの冷却システムを提供することを目的とする。また、本発明のリニアモータの冷却システムおよびコアレス構造のリニアモータの具体的な構成によって得られるいくつかの利点は、発明の実施の形態の説明において詳しく説明される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のコアレス構造のリニアモータの冷却システムは、中空部分（７３）を有する管状のコイル電線（７）を所定巻数周回させた複数のコイルユニット（８）を所定の部分で相互に電気的に導通させてコイルユニット（８）を積層して成る複数の電機子コイル（５）と、電機子コイル（５）を固定するモールド樹脂（１２）を支持するコイルベース（１１）と、コイルベース（１１）に設けられコイルユニット（８）のコイル電線（７）の中空部分（７３）に水などの液体の冷媒を供給する供給管路（６６）と、所定の圧力の冷媒を供給管路に送り出す加圧供給源（６３）と、コイルベース（１１）に設けられコイルユニット（８）のコイル電線（７）の中空部分（７３）から出される上記冷媒をコイルベース（１１）外に導出する回収管路（６７）と、を含むようにしたものである。
【０００９】
また、本発明のコアレス構造のリニアモータは、中空部分（７３）を有する管状のコイル電線（７）を所定巻数周回させた複数のコイルユニット（８）を所定の部分で相互に電気的に導通させてコイルユニット（８）を積層して成る複数の電機子コイル（５）と、電機子コイル（５）を固定するモールド樹脂（１２）を支持するコイルベース（１１）と、コイルベース（１１）に設けられコイルユニット（８）のコイル電線（７）の中空部分（７３）に液体の冷媒を供給する供給管路（６６）と、コイルベース（８）に設けられコイルユニット（８）のコイル電線（７）の中空部分（７３）から出される上記冷媒をコイルベース（１１）外に導出する回収管路（６７）と、を含む一次側固定子（１）と、一次側固定子（１１）を挟んで設けられＮ極の永久磁石（３）とＳ極の永久磁石（４）とを長手方向に交互に配列した２つのマグネットヨークを含む二次側固定子（４）と、を含むようにしたものである。
【００１０】
上記コアレス構造のリニアモータは、より詳しくは、マグネットヨーク（２）に設けられる複数の永久磁石（３），（４）が相対向する永久磁石（３），（４）の磁極が異なるようにそれぞれ配列される。なお、本明細書に添付された図面に対応する上記符号は説明の便宜上付されたものであり、本発明を実施の形態に制限するものではない。
【００１１】
本発明は、コイル電線が中空部分を有する管状に形成され、各電機子コイルがコイルユニットに分割されている。加圧供給源から供給される水などの液体の冷媒は送給管路から供給管路を通って電機子コイルの分割された各コイルユニットのコイル電線の中空部分に分配され、各コイル電線の中空部分を通って排出管路へ導かれる。このとき、冷媒の圧力の殆どはコイル電線の中空部分で失われるが、本発明は、電機子コイルが積層された複数のコイルユニットに分割されているので、コイル電線の内径がφ０．５ｍｍ〜φ０．２ｍｍ程度の小さい径であってもコイル電線の中空部分に冷媒を通すことができ、冷媒を循環させることが可能になる。また、冷媒を循環させることが可能であるかどうかは各コイルユニットの構造に依存するので、冷却システムを採用する上で、電機子コイルの数や配列が制限されない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、コアレス構造のリニアモータの１つの例が示されている。図１に示されるリニアモータは、マグネット両面配置型の３相同期型リニアモータ（ＬＳＭ）であり、電機子コイルを３個で１組としたユニットを複数長手方向に配置したリニアモータである。図２は、図１に示された永久磁石３と電機子コイル５の位置関係を示し、図３は、図１に示されたコアレス構造のリニアモータにおける一次側固定子の構成を示す。
【００１３】
実施の形態のリニアモータは、電機子コイル５を含む一次側固定子１と永久磁石を含む２つの二次側可動子２を有する。一次側固定子１は、コイルベース１１と、モールド樹脂１２と、モールド樹脂１２に埋め込まれて固定された各相の複数の電機子コイル５と、モータ動力線１３と、磁極センサの信号線１４と、冷却パイプアッセンブリ６１を含む。この実施の形態では、コイルベース１１はアルミナ系セラミックスや黄銅、モールド樹脂１２はエポキシ樹脂、冷却パイプアッセンブリ６１はアルミニウムで形成される。
【００１４】
二次側可動子２のＮ極の永久磁石３とＳ極の永久磁石４は、マグネットヨーク２１の長手方向に交互に配列される。相対向する永久磁石は、図２に示されるように、Ｎ極の永久磁石３が一次側固定子を挟んでＳ極の永久磁石４が配置されるように、相対向する永久磁石の磁極が異なるように配列される。この実施の形態のコアレス構造のリニアモータは、電機子コイルの数や配列が従来のコアレス構造のリニアモータと同じにすることができるから、従来のコアレス構造のリニアモータの基本的な設計を大きく変更することなく、冷却効果を大きく向上することができる点で有利である。
【００１５】
図４に、図３で示された一次側固定子を冷却する冷却システムの構成が示されている。また、図５に供給管路と管状のコイル電線との接合部分が示されている。この冷却システム６の冷媒は水であり、密閉された筐体から構成される貯留槽６２に貯留された水を加圧供給源であるポンプ６３によって冷却装置である熱交換器６４に送り、水を熱交換器６４によって所定の温度にする。熱交換器６４は、貯留槽６２に出入口が直結する循環管路とポンプとを設けて、その循環管路の途中に設置してもよい。なお、図示しないバルブ、逆止弁、レギュレータ、シリンダなどの冷却システムの回路中の各部品は、仕様に合わせ必要に応じて適宜設計的に設けられる。
【００１６】
所定温度にされた水（以下、冷却水）は、フレキシブルホースで成る送給管路６５を通って図３に示される一次側固定子２の冷却パイプアッセンブリ６１へ導入される。そして、冷却水は、一対の冷却パイプアッセンブリ６１間に渡された供給管路６６を通過するとともに、図５に示されるように、供給管路６６に穿設された小孔に非導電性の接着剤や樹脂で固定された複数の管状のコイル電線７の中空部分にそれぞれ分配して導入され、コイル電線７を直接冷却して回収管路６７に排出される。回収管路６７に戻された冷却水は、フレキシブルホースで成る排出管路６８を通って貯留槽６２に戻される。
【００１７】
図６は、コイル電線７のいくつかの実施例を示している。コイル電線７は、外径φ０．５ｍｍで中空部分を有する銅製の導体部分７１の外側がエナメルあるいはポリウレタンなどの極薄い被覆層７２で覆われ、内部に冷却水が流通する中空部分７３が形成されている。本発明のコイル電線の構成で重要なことは、所定の推力を得るための電流を流すことができる断面積の導体部分を有することと、冷媒の粘度にもよるが、冷媒が十分に還流するために最低必要な断面積の中空部分を有することである。同時に、コイル電線としての柔軟な屈曲性を与え電気抵抗が大きくなり過ぎない外径であることが好ましく、特にコイル電線の曲部の形成では、中空孔を潰さないように注意が必要である。冷却効果を大きくするためには、導体部分と冷媒とが接触する接触面積を可能な限り大きくする断面形状であることが好ましい。
【００１８】
図６に示される実施例は、上述した点が考慮され、製造が容易で中空部分が詰まり難い実用的ないくつかのコイル電線の構成の例である。図６の上側に示された第１の実施例は、内径がφ０．２ｍｍで、導体部分７１の断面積が０．１６５ｍｍ２、冷媒と接触する断面周長の合計が０．６３ｍｍである。この第１の実施例では、送給管路６５に送り出される水圧が５ＭＰａ（メガパスカル）で、長さが約１０００ｍｍのチューブ状のコイル電線に０．００４リットルの冷却水を供給することができる。また、０．４リットル／分の空気を供給することができる。
【００１９】
図６の中央に示された第２の実施例は、内径をφ０．３ｍｍとして中空部分に肉圧０．１３ｍｍの仕切板７４を設けたものであり、仕切板７４は導体部分７１とともにコイル電線７の導体部分を形成する。第２の実施例は、導体部分７１と仕切板７４とで形成される導体部分全体の断面積を０．１６５ｍｍ２としているが、冷媒と接触する断面周長の合計が１．２８ｍｍで導体部分と冷媒との接触面積を多くし冷却効率を向上させている。
【００２０】
図６の下側に示された第３の実施例は、内径がφ０．３３ｍｍで、肉圧０．１２ｍｍの放射状の仕切板７５を設けたものであり、仕切板７５は導体部分７１とともにコイル電線７の導体部分を形成する。導体部分７１と仕切板７５とで形成される導体部分全体の断面積は０．１６５ｍｍ２であるが、冷媒と接触する周長の合計が１．５０ｍｍで、さらに冷却効率を向上させている。なお、上述した実施例以上に中空部分７３の断面積を小さくすると、冷却水が極めて流れ難くなる。
【００２１】
図７は、図１ないし図３に示した実施の形態の電機子コイルのより詳細な構成を示す。本発明の各電機子コイル５は、中空部分を有する管状のコイル電線７を所定巻数周回させた巻線を１つのユニットとして（以下、コイルユニットという）、コイルユニット８どうしを所定の部分で相互に電気的に導通させて、これら複数のコイルユニット８を積層して成る。図７左側は、１つの電機子コイル５の最下層に配置されるコイルユニット８１の構成を示し、図７中央は、下層のコイルユニット８１の上に配置される第２層のコイルユニット８２を示し、図７右側は、コイルユニット８２の上に配置される第３層のコイルユニット８３を示す。また、図６下側には、コイルユニット８を積層して成る電機子コイル５の推力に寄与する導体部、いわゆる有効導体部の切断面を示している。図示しない他の層のコイルユニットの基本的な構成は、供給管路６６または回収管路６７と接続する部分以外、コイルユニット８１ないしコイルユニット８３の何れかとほぼ同一である。
【００２２】
この実施の形態の各コイルユニット８は、図６上側に示されたチューブのように形成された銅製のコイル電線７で構成され、各コイルユニットの長尺長がほぼ５０ｍｍで短尺長がほぼ３０ｍｍになるように６ターン周回させ全長約９３０ｍｍとしており、このときの電気抵抗は約０．１Ωである。したがって、既に述べた通り、水圧５ＭＰａの冷却水を供給管路６６に供給することによってコイル電線７に冷却に必要十分な冷却水を流すことができる。各コイルユニット８は、例えば図７下側の図に示されるようにラミネートして５層に重ねられる。コイルユニット８に供給された冷却水は、コイル電線７の中空部分を白抜きの矢印の方向に流れる。
【００２３】
コイル電線７の部分７６から給電され、コイル電線７の所定の部分７７，７８，７９の各部分でコイル電線７のエナメルなどの被覆層７２を剥離して導体部分７１の外表面を露出させ、露出させた導体部分７１どうしを溶接し、各コイルユニット８どうしを電気的に導通している。各コイルユニット８の電流は、コイル電線７の導体部分を黒塗りの矢印の方向に流れる。したがって、冷却水は各コイルユニット単位で供給されるが、電流は７７−７７，７８−７８，７９−７９…間でそれぞれ電気的に接続され、電機子コイル５の単位で供給される。このため、必要十分な液体の冷媒を小さな内径のコイル電線７の中空部分に供給でき、しかもコイル電線７として十分な電流を流して所望の推力を得ることができる。
【００２４】
例えば、図１ないし図３の構成を有する１００Ｎ（ニュートン）の実施の形態のコアレス構造のリニアモータにおいて、電流ＩＡ（アンペア）のコイルの温度上昇ΔＴ℃（摂氏）が実験的に次の通り求められている。
ΔＴ＝８８・Ｉ１．５７℃（冷却なし）
ΔＴ＝１７・Ｉ１．８８℃（常温空気１Ｋｇ／ｃｍ２）
ΔＴ＝６．２・Ｉ１．９４℃（常温水１リットル／分）
【００２５】
図６上側に示される実施の形態のコイル電極を使用した図７に示される実施の形態のコイルユニット毎の発熱量Ｑは、駆動電流Ｉを１４Ａとしたとき、
Ｑ≒０．１Ω×１４２≒２０Ｗ（ワット）
であり、毎分０．００４リットルの冷却液を供給することができるとすると、そのときの冷却量ΔＱは、
ΔＱ＝０．１×４．２×ΔＴ　（ワット）
であるから、温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝２０／（０．１４×４．２）＝３４℃
である。したがって、同じ構成のリニアモータで冷却しない場合は、温度上昇ΔＴの限界を８０℃としても、定格電流は１．１Ａであるから、本発明の冷却システムの冷却効果が極めて優れていることがわかる。この実数値は、特定の設計思想とサイズを有するコアレス構造のリニアモータを例に参照として提示したものであるが、同様のコアレス構造のリニアモータであれば、理論的に他のコアレス構造のリニアモータにおいても優れた効果が期待できることが明かである。
【００２６】
リニアモータのコイル電線の長さから考えれば、管状のコイル電線を使用し、その中空部分に冷却液を流通させてコイル電線を直接冷却するということは困難であるが、本発明のコイルユニット毎に冷却液を供給する構成であれば、この問題は克服できることが明らかである。特に、比較的大きい推力が要求されるほど有効である。したがって、本発明の冷却システムは、特に、冷媒を使用して直接電機子コイルを冷却する構成を採用しにくいコアレス構造のリニアモータに有益であることが理解できる。また、コイルユニットの数を増減することは自在であるから、電機子コイルの数や配置は任意であり、リニアモータの設計上有利である。
【００２７】
以上の通り、いくつかの実施の形態を示して本発明を説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で、変形、組合せ、置換、部品の材料の変更などによって種々の構成を採用することが可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のコアレス構造のリニアモータの冷却システムおよびコアレス構造のリニアモータによれば、例えば、電機子コイルの空心などに電機子コイルに接触するように冷却管を配設しなくても、液体の冷媒によってコイル電線を直接的に冷却でき、電機子コイルを効率よく冷却することができる。その結果、コアレス構造のリニアモータにおいて、同一の構成のリニアモータであるとき、その定格推力をより大きくすることができるという効果を奏する。また、本発明のコアレス構造のリニアモータによれば、電機子コイルやリニアモータの構成に対する制約が小さいという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコアレス構造のリニアモータの一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すコアレス構造のリニアモータの一次側固定子と二次側可動子の位置関係を示す平面図である。
【図３】図１に示すコアレス構造のリニアモータの一次側固定子の構成を示す３方向の平面図である。
【図４】図１に示すコアレス構造のリニアモータに設けられた本発明の冷却システムの実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図３に示すコアレス構造のリニアモータに設けられた本発明の冷却システムの供給管路とコイル電線との接続部分を示す供給管路が切断された状態の斜視図である。
【図６】図１に示すコアレス構造のリニアモータに設けられた本発明の冷却システムにおけるコイル電線の実施の形態を示す断面図である。
【図７】図１に示すコアレス構造のリニアモータに設けられた本発明の冷却システムにおける電機子コイルの実施の形態を示す平面図である。
【符号の説明】
５，電機子コイル
６，冷却システム
６２，貯留槽
６３，ポンプ（加圧供給源）
６４，熱交換器（冷却装置）
６５，フレキシブルホース（送給管路）
６６，供給管路
６７，回収管路
６８，　フレキシブルホース（排出管路）
【図１】
2004120823.tif 000003
【図２】
2004120823.tif 000004
【図３】
2004120823.tif 000005
【図４】
2004120823.tif 000006
【図５】
2004120823.tif 000007
【図６】
2004120823.tif 000008
【図７】
2004120823.tif 000009