JP2008220020A - 可動磁石型リニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】可動体が軽量で応答性が良く、かつ空芯コイルに与えられる駆動電流による発熱を除去するとともに、渦電流の発生を減少させて効率よく大きな推力を得ることができる可動磁石型リニアモータを提供する。
【解決手段】可動磁石型リニアモータにおいて、冷却パイプは、空芯コイルがマグネットヨークの中心軸方向に直角な方向に延在する部分にて、空芯コイルに対して高熱伝導部材を介して熱的に密に接合されるものであり、該高熱伝導部材は、一端部が前記冷却パイプの外側面形状に倣うとともに他端部が前記空芯コイルの外側面形状に倣う複数の非磁性金属片を、相互に絶縁して前記中心軸方向に直角な方向に積層した構造であることである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば工作機械、電気部品実装装置或いは半導体関連装置などの各種産業機械に使われるリニアモータに関し、特に界磁を可動子とし、電機子を固定子として構成する可動磁石型リニアモータに関する。

磁石の方を可動子とし電機子（空芯コイル）を固定子とする可動磁石型リニアモータとして、特許文献１に記載されるものが知られている。これは、穴あき柱状永久磁石に貫通軸体を貫通させて固定して磁石可動体を構成し、前記貫通軸体を軸受部材で摺動自在に支持して当該軸受部材に対し固定した位置関係にある空芯コイルの内側に前記磁石可動体を移動自在に設けたものである。この場合、磁石可動体に発生する推力は、基本的にはフレミングの左手の法則に準ずるものである。（ただし、フレミングの左手の法則は空芯コイルに対して適用されるが、ここでは空芯コイルが固定のため、磁石可動体に空芯コイルに作用する力の反力としての推力が発生する。）そして、推力に寄与するのは、磁石可動体が有する永久磁石の磁束の垂直成分（永久磁石の軸方向に直交する成分）である。

また、可動磁石型のリニアモータとして、特許文献２に記載されるものが知られている。これは固定子側の複数の空芯コイルで可動子側の磁石に推力を与える多相タイプであるが、移動方向に配列される空芯コイルの両側を棒状の支持部材で固定し、空芯コイルの両側を固定する支持部材間に磁石を対向させて配置し、前記支持部材の内部には冷媒を流すための管路を移動方向に沿って設けることとしたものである。この管路に冷媒を循環させることにより、空芯コイルに生ずる駆動電流による発熱を除去することを可能とするものである。
実開平７−３０５８５号公報 特開平１−２７０７６３号公報

しかし、上記特許文献１の技術では、貫通軸体の外周をぐるりと廻る柱状の永久磁石で可動体を構成しているため、磁石可動体の質量が大きくなり応答性が悪いという不具合があった。また、特許文献２の技術では、冷媒を流す管路を固定する支持部材の断面積が大きく空芯コイルの熱が支持部材全体に拡散してしまい、空芯コイルと冷媒との間の熱の伝導効率が悪いという不具合があった。また、磁束を金属が横切ると、渦電流が発生して可動体の推力を減少させるという普遍的な問題も考慮する必要があった。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、可動体が軽量で応答性が良く、かつ空芯コイルに与えられる駆動電流による発熱を除去するとともに、渦電流の発生を減少させて効率よく大きな推力を得ることができる可動磁石型リニアモータを提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、複数平面壁により偶数多角筒状を成し、該偶数多角筒状の中心軸方向に可動するマグネットヨークと、該マグネットヨークの各平面壁の外壁に取り付けられ複数の永久磁石から構成される複数のマグネット構成体と、前記マグネットヨークを取り囲むように設けられた固定子ベースと、該固定子ベースに取り付けられ前記複数のマグネット構成体に夫々磁気的空隙を介して対向するように配置された複数の空芯コイルと、該空芯コイルに沿うように前記固定子ベースに取り付けられ内部に冷媒が流通されて前記空芯コイルを冷却する冷却パイプと、を備えた可動磁石型リニアモータにおいて、前記冷却パイプは、前記空芯コイルが前記中心軸方向に直角な方向に延在する部分にて、該空芯コイルに対して高熱伝導部材を介して熱的に密に接合されるものであり、該高熱伝導部材は、一端部が前記冷却パイプの外側面形状に倣うとともに他端部が前記空芯コイルの外側面形状に倣う複数の非磁性金属片を、相互に絶縁して前記中心軸方向に直角な方向に積層する構造であることである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記マグネット構成体は、前記中心軸方向に直角な方向に着磁された第１の永久磁石と、該第１の永久磁石の着磁方向に平行な方向であって、第１の永久磁石とは反対の磁極で着磁され、前記第１の永久磁石に前記中心軸方向に対向する第２の永久磁石と、を有し、これらのマグネット構成体は、前記マグネットヨークの周方向に隣り合うマグネット構成体の前記永久磁石の磁極が互いに反対の極であることである。

請求項１に係る発明によると、空芯コイルと冷媒間の熱の交換が高熱伝導部材によって拡散することなく、直接的におこなうことができるので、空芯コイルに与えられる駆動電流による発熱は、効率よく冷却パイプに流通する冷媒によって除去することができる。そして、高熱伝導部材は、互いに絶縁された積層構造とすることで、磁束を横切る一つ一つの非磁性金属片の厚みを小さく形成することができるので、大きな渦電流の発生を抑えて効率よく大きな推力を得ることができる。

請求項２に係る発明によると、マグネット構成体のそれぞれの永久磁石の磁極から発生する磁束は隣り合う反対の磁極に向かって流れる。そのため、マグネットヨークの周面に沿った２方向及びそれに直角な方向に分流して、マグネットヨークを通る磁束を３つに分散することができ、これによって、飽和磁束を生じさせることなくマグネットヨークの肉厚を薄くでき、可動磁石型でありながら、リニアモータを小型化かつ軽量化することができる。そして、可動体の応答精度を高めることができる。また、一つの磁極から上記のように３つに分流された磁束は、夫々異なった３つの反対の磁極を通過する。そして、１つの反対の磁極では、異なった３つの磁極からの磁束が１つにまとまって通過することとなる。そのため、空芯コイルを横切る磁束は、上記分流によって減少することが無いので、マグネットヨークの軽量化を図りながら強い推力を発揮させることができる。

本発明に係る可動磁石型リニアモータを備えた工具移動装置の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は工具移動装置の構造を断面で示した正面からの概念図であり、図２は同断面で示す側面からの概念図である。前記リニアモータ２は、固定側の一次側要素と、一次側要素に対して相対移動可な可動側の二次側要素とから構成されている。

この工具移動装置４は、図１に示すように、例えば磁性体である鉄製からなる中空箱型形状のマグネットヨーク６と、マグネットヨーク６の外周面に取り付けられた永久磁石からなる複数のマグネット構成体８と、マグネットヨークの両端開口部に夫々取付けられた角型の支持部１０,１２とからなる可動体１４を備え、この可動体１４によりリニアモータ２の二次側要素を構成している。この可動体１４の一方の支持部１０の端部（先端側端部）には、工作物を高精度に切削加工するバイト等を保持する工具保持装置１６が取り付けられている。他方の支持部１２の端部（基端側端部）にはリニアスケール（位置検出装置）１７が設けられ、可動体１４の後述する支持台１８に対する相対的な移動位置を検出するようになっている。

また、工具移動装置４は、可動体１４に対して相対移動可能に固定設置された例えば非磁性体からなる支持台１８を備えている。支持台１８は可動体１４の４面に対向する平壁部を図略のフレーム部材により連結させて、可動体１４を囲むように設けられている。 支持台１８には可動体１４の各支持部１０,１２を油の静圧力によってＸ軸方向（可動体１４の中空軸線方向）に摺動のみ可能に支持する流体軸受２０,２２と、マグネットヨーク６を取り囲むように配設された例えば磁性体である鉄製のコイルヨーク２４とが設けられ、コイルヨーク２４の内壁面には、各マグネット構成体８に夫々対向して取り付けられた空芯コイル２６が設けられている。空芯コイル２６は平角線を重ねて積層したもので、銅からなる導体部と絶縁層が密な状態で重なって構成されているため、熱抵抗が小さい。また、コイルの外側面（推力発生部）を略フラットに形成し、該フラット面と高熱伝導率接着剤を介して密に高熱伝導部材を設けている。空芯コイル２６は、例えばガラスエポキシからなる被巻回部３６に平角線により略矩形状に複数巻回されて形成される。空芯コイル２６とコイルヨーク２４との間には、例えばガラスエポキシ等による絶縁板２８が挿入されて電気的絶縁が図られている。空芯コイル２６を取り付けたコイルヨーク２４によって、リニアモータ２の一次側要素を構成している。また、空芯コイル２６には図略の直流電源に連結される電流制御回路５０に接続され、図７に示すように、電流制御回路５０は前記リニアスケール１７からの信号が制御装置（ＣＰＵ）５２からの信号によって、直流電源からの電流値が制御されるようになっている。電流制御回路５０として、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｅｒｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子等で構成されるアンプが考えられる。

また、各空芯コイル２６には、図３に示すように、冷却パイプ３０が略矩形状の空芯コイル２６の三方の辺（前記Ｘ軸方向に平行な一辺とそれに直角な二辺）に沿うように並べて配置されている。冷却パイプ３０は、空芯コイル２６が前記Ｘ軸方向に直角な方向に延在する２箇所（二辺）の部分において、高熱伝導接着剤により接着された高熱伝導部材３２を介して空芯コイル２６に接合されている。高熱伝導部材３２は、図３及び図４に示すように、長手側の一端部が冷却パイプ３０の外側面に倣う湾曲面状に形成され、長手側の他端部が空芯コイル２６（平角線）の外側面に倣う平面状に形成された、例えば銅製の複数の金属片３４からなっている。そして、これらの金属片３４は、図８に示すように、前記Ｘ軸方向に直角な方向に積層され、それらの表面は例えばエポキシ系、珪素系等の皮膜でコーティングされて、重ねられたときに相互に電気的絶縁が図られている。

空芯コイル２６と高熱伝導部材３２との間は、高熱伝導性の接着剤３４により接着されている。冷却パイプ３０には図略のポンプにより冷媒としての冷水が流通されるようになっている。この冷却パイプ３０は、例えば銅製で、対向するマグネット構成体８から前記Ｘ軸方向に外れる位置に配されるとともに、管の断面が薄肉に形成されることにより、マグネット構成体８の磁力線による渦電流の発生を和らげるようになっている。

多角筒状のマグネットヨーク６は、実施形態においては４つの平面壁３８により４角筒状に構成され、図２及び図６に示すように、平面壁３８の外周面には第１乃至第４のマグネット構成体８ａ〜８ｄが、夫々取り付けられている。マグネット構成体８ａ〜８ｄは、第１及び第２の永久磁石４０,４２と補助磁石４４とから構成される。第１及び第２の永久磁石４０,４２は、例えば希土類より直方体形状に形成され、これらの永久磁石は着磁方向（単体の磁石において対応する反対の極の中心を結ぶ線の方向）が、前記Ｘ軸方向に直角な方向となるよう配置されている。そして、図１及び図５に示すように、マグネットヨーク６上部の先端部側（図１及び図５において右側）には、第１の永久磁石４０の外側（図１において上側）がＳ極、内側がＮ極に、同基端部側（図１及び図５において左側）には、第２の永久磁石４２の外側がＮ極、内側がＳ極になるよう配設されている。また、第１の永久磁石４０と第２の永久磁石４２との間には直方体形状の補助磁石４４が、着磁方向を前記Ｘ軸方向に平行にして配設されている。各補助磁石４４は、例えば、先端部側（図５において右側）がＳ極、基端部側（図５において左側）がＮ極という具合に、前記第１及び第２の永久磁石４０,４２の内側の磁極と反対の磁極が接近するように並べられて固定されている。このように補助磁石４４配置することにより、図５に示すように、磁束の漏洩を防止すると共に、空芯コイル２６を横切る磁束数を増加させて、大きな推力を発揮させることができる。また、マグネット構成体８の永久磁石４０,４２は、図２及び図６に示すように、マグネットヨーク６の周方向に隣り合うマグネット構成体８の永久磁石４０,４２の磁極が互いに反対の極となるよう配設されている。

次に、上記のように構成された可動磁石型リニアモータの作動について、以下に説明する。図５において、空芯コイル２６にマグネットヨーク６から見て時計回りに電流を流すと、フレミングの左手の法則に従い空芯コイル２６には先端部側（図５において右側）への力が生じ、マグネット構成体８ａにはその反作用として基端部側（図５において左側）への力が加わる。他のマグネット構成体８ｂ,８ｃ,８ｄにも同様にして、基端部側への力が加わるように対向する空芯コイル２６に夫々通電することにより、マグネットヨーク６には基端部側へ移動させる推力が働き、マグネットヨーク６は電流量に応じた距離だけ基端部側（図１及び図５において左側）へ移動する。また、前記ＩＧＢＴ等により逆向き回りの通電をすると、マグネットヨーク６は図１及び図５において右側へ移動する。この移動位置はリニアスケール１７により検出され、検出位置の信号がＣＰＵ５２に送られて、前記ＩＧＢＴ等により通電方向及び通電量が定められてマグネットヨーク６の移動量が制御される。

本実施形態では、空芯コイル２６と冷却パイプ３０の冷媒間との熱の交換が高熱伝導接着剤を経由して高熱伝導部材３２によって拡散することなく、直接的におこなうことができるので、空芯コイル２６に与えられる駆動電流による発熱は、効率よく冷却パイプ３０に流通する冷媒によって除去することができる。そして、高熱伝導部材３２は、互いに絶縁された積層構造とすることで、磁束を横切る一つ一つの非磁性金属片３４の厚みを小さく形成することができるので、大きな渦電流の発生を抑えることができる。

また、本実施形態では、マグネット構成体８のそれぞれの永久磁石４０,４２から発生する磁束を、図７に示すように、マグネットヨーク６の周面に沿った２方向Ｂ,Ｃ及びそれに直角な方向Ａに分流して、マグネットヨーク６を通る磁束を３つに分散することができ、これによって、飽和磁束密度を生じさせることなくマグネットヨーク６の肉厚を３分の１程度に薄くでき、可動磁石型でありながら、リニアモータ２を小型化かつ軽量化することができる。そして、可動体１４の応答精度を高めることができる。そして、１つのＮ極から３つに分流された磁束は、夫々別の３つのＳ極を通過する。一方、１つのＳ極においては、別の３つのＮ極からの磁束ａ,ｂ,ｃが１つにまとまって通過することとなる。そのため、空芯コイル２６を横切る磁束は、上記分流によって減少することが無いので、マグネットヨーク２４を軽量としながら強い推力を発揮させることができる。

なお、空芯コイルは、実施形態において平角線としたが、これに限定されず、例えば丸線でもよい。この場合は、高熱伝導部材はかかる丸線の外側面に倣う形状に形成される。

冷却パイプや高熱伝導部材は、銅製に限定されず、例えばアルミニウム合金のような熱伝導率が高く非磁性材料であればよい。

マグネットヨークは、４角筒状に限定されず、例えば６角、８角等の偶数多角筒状であればよい。また、偶数多角筒状のマグネットヨークの強度向上のため、中空部に梁部材を設ける構造としてもよい。

また、本実施形態においては、第１及び第２の永久磁石の間に補助磁石を配置する構成としたが、これに限定されず、補助磁石はなくてもよい。

コイルヨークは、支持台に個別に取り付けるものとしたが、これに限定されず、例えばマグネットヨークの形状に対応する偶数多角筒状のものでもよい。

また、冷却パイプは、コイルヨークに取り付けられた４箇所の空芯コイルにおいて、熱的に密に接合されるものとするが、これに限定されず、例えば、１箇所、２箇所の空芯コイルに対して、熱的に密に接合されるものでもよい。また、空芯コイルの一方の外側面に高熱伝導部材が当接するものとしたが、これに限定されず、例えば空芯コイルの両方の外側面に高熱伝導部材が当接するものでもよい。

本発明に係る可動磁石型リニアモータの正面からの断面図。 同側面からの断面図。 空芯コイルと冷却パイプとへの高熱伝導部材の取付け状態を示す図。 同断面図。 マグネット構成体と空芯コイルとの構成を示す図。 マグネットヨークにおける磁束の流れを示す概念図。 移動位置制御を示すブロック図。 高熱伝導部材の積層構造を示す断面図。

符号の説明

２…リニアモータ、６…マグネットヨーク、８…マグネット構成体、１８…固定ベース（支持台）、２４…固定ベース（コイルヨーク）、２６…空芯コイル、３０…冷却パイプ、３２…高熱伝導部材、３８…平面壁、４０…第１の永久磁石、４２…第２の永久磁石。

Claims (2)

1. 複数平面壁により偶数多角筒状を成し、該偶数多角筒状の中心軸方向に可動するマグネットヨークと、該マグネットヨークの各平面壁の外壁に取り付けられ複数の永久磁石から構成される複数のマグネット構成体と、前記マグネットヨークを取り囲むように設けられた固定子ベースと、該固定子ベースに取り付けられ前記複数のマグネット構成体に夫々磁気的空隙を介して対向するように配置された複数の空芯コイルと、該空芯コイルに沿うように前記固定子ベースに取り付けられ内部に冷媒が流通されて前記空芯コイルを冷却する冷却パイプと、
   を備えた可動磁石型リニアモータにおいて、
   前記冷却パイプは、前記空芯コイルが前記中心軸方向に直角な方向に延在する部分にて、該空芯コイルに対して高熱伝導部材を介して熱的に密に接合されるものであり、
   該高熱伝導部材は、一端部が前記冷却パイプの外側面形状に倣うとともに他端部が前記空芯コイルの外側面形状に倣う複数の非磁性金属片を、相互に絶縁して前記中心軸方向に直角な方向に積層した構造であることを特徴とする可動磁石型リニアモータ。
2. 請求項１において、前記マグネット構成体は、前記中心軸方向に直角な方向に着磁された第１の永久磁石と、
   該第１の永久磁石の着磁方向に平行な方向であって、第１の永久磁石とは反対の磁極で着磁され、前記第１の永久磁石に前記中心軸方向に対向する第２の永久磁石と、を有し、
   これらのマグネット構成体は、前記マグネットヨークの周方向に隣り合うマグネット構成体の前記永久磁石の磁極が互いに反対の極であることを特徴とする可動磁石型リニアモータ。

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