特許 6048338 リニアモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6048338

(24)【登録日】2016年12月2日

(45)【発行日】2016年12月21日

(54)【発明の名称】リニアモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20161212BHJP

   H02K 9/02 20060101ALI20161212BHJP

【ＦＩ】

   H02K41/03 A

   H02K9/02 Z

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-156878(P2013-156878)

(22)【出願日】2013年7月29日

(65)【公開番号】特開2015-27234(P2015-27234A)

(43)【公開日】2015年2月5日

【審査請求日】2015年1月15日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006622

【氏名又は名称】株式会社安川電機

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100171099

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100165526

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 寛

(74)【代理人】

【識別番号】100139000

【弁理士】

【氏名又は名称】城戸 博兒

(72)【発明者】

【氏名】牧野 省吾

(72)【発明者】

【氏名】大戸 基道

【審査官】 マキロイ 寛済

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０６６８６８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−０２３３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１２４２５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２６２９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０８７７４２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０００９０１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０７８５９１４２（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ４１／０３

Ｈ０２Ｋ ９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空隙を介して互いに対向する固定子及び電機子を備え、
前記固定子は、
前記電機子と対向する方向に交差するように延びた長尺形状を呈し、当該長尺形状の長手方向に沿って並び且つそれぞれ前記電機子側に突出する複数の突極を有し、
前記電機子は、
前記固定子側に突出するティースをなす電機子コアと、
前記ティースに巻かれた電機子巻線と、
前記固定子の前記長手方向に沿って並ぶように前記ティースの先端側に設けられた複数の永久磁石と、
前記ティースと前記永久磁石との間に介在する断熱材層とを有し、
複数の前記永久磁石は、前記ティースの突出方向における前記永久磁石同士の厚さの違いにより前記電機子コア側に凹凸を形成し、前記凹凸は前記ティースに嵌合するリニアモータ。

【請求項2】

複数の前記永久磁石として、前記ティース側に向かう磁界を生じる第１永久磁石と、前記固定子側に向かう磁界を生じる第２永久磁石と、前記固定子の前記長手方向に沿う磁界を生じる第３永久磁石とを備え、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは互いに交互に並び、前記第３永久磁石は前記第１永久磁石と前記第２永久磁石との間に配置され、
前記ティースの突出方向において、前記第１永久磁石の厚さと前記第２永久磁石の厚さとは同等であり、前記第３永久磁石の厚さが前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の厚さに対して異なる、請求項１記載のリニアモータ。

【請求項3】

空隙を介して互いに対向する固定子及び電機子を備え、
前記固定子は、
前記電機子と対向する方向に交差するように延びた長尺形状を呈し、当該長尺形状の長手方向に沿って並び且つそれぞれ前記電機子側に突出する複数の突極を有し、
前記電機子は、
前記固定子側に突出するティースをなす電機子コアと、
前記ティースに巻かれた電機子巻線と、
前記固定子の前記長手方向に沿って並ぶように前記ティースの先端側に設けられた複数の永久磁石と、
前記ティースと前記永久磁石との間に介在する断熱材層とを有し、
複数の前記永久磁石は、モールド材により一体化された状態で前記電機子コアに固定され、
前記モールド材は、前記固定子側から前記複数の永久磁石を覆う被膜を構成するリニアモータ。

【請求項4】

前記モールド材は、前記複数の永久磁石の前記電機子コア側に、前記ティースに嵌合する凹凸を形成する、請求項３記載のリニアモータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リニアモータに関する。

【背景技術】

【0002】

リニアモータは、空隙を介して互いに対向する電機子及び長尺の固定子を備え、固定子の長手方向に沿って電機子及び固定子の相対運動を発生させる。このようなリニアモータの一種として、電機子には電機子コア、電機子巻線及び複数の永久磁石が設けられ、固定子には複数の突極が設けられたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。電機子コアは、固定子側に突出するティースをなし、電機子巻線はティースに巻かれる。複数の永久磁石はティースの先端側に設けられ、固定子の長手方向に沿って並ぶように配置される。複数の突極は、固定子の長手方向に沿って並ぶと共に、それぞれ電機子側に突出する。電機子は、電機子コア、電機子巻線及び永久磁石を協働させて進行磁界を発生させる。この進行磁界が固定子の突極に作用することで上記相対運動が生じる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−２１９１９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したリニアモータでは、電機子巻線の発熱に伴って推力が低下する場合がある。そこで本発明は、電機子巻線の発熱に伴う推力の低下を抑制できるリニアモータを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係るリニアモータは、空隙を介して互いに対向する固定子及び電機子を備え、固定子は、電機子と対向する方向に交差するように延びた長尺形状を呈し、当該長尺形状の長手方向に沿って並び且つそれぞれ電機子側に突出する複数の突極を有し、電機子は、固定子側に突出するティースをなす電機子コアと、ティースに巻かれた電機子巻線と、固定子の長手方向に沿って並ぶようにティースの先端側に設けられた複数の永久磁石と、ティースと永久磁石との間に介在する断熱材層とを有する。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、電機子巻線の発熱に伴う推力の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係るリニアモータの概略構成を示す断面図である。

【図2】ティースと永久磁石との接合部を示す拡大図である。

【図3】第２実施形態に係るリニアモータの概略構成を示す断面図である。

【図4】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。

【図5】図３の電機子の分解図である。

【図6】第３実施形態に係るリニアモータの電機子の分解図である。

【図7】リニアモータの変形例を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0009】

〔第１実施形態〕
第１実施形態に係るリニアモータ１は、例えば様々な製造装置又は加工装置等のＦＡ機器において、テーブル送り等に利用される。図１及び図２に示すように、リニアモータ１は、互いに空隙を介して対向する電機子２及び固定子３を備える。固定子３は、電機子２との対向方向に直交するように延びる長尺形状を呈し、設置対象（例えばＦＡ機器の本体部）に固定される。電機子２は、固定子３の長手方向に沿って移動自在となるように、リニアガイド（不図示）により支持される。電機子２は、駆動対象（例えばＦＡ機器のテーブル）に固定される。リニアモータ１は、固定子３の長手方向に沿って、固定子３に対する電機子２の相対運動を発生させることで駆動対象を移送する。なお、電機子２が設置対象に固定され、固定子３が駆動対象に固定されてもよい。この場合、リニアモータ１は、電機子２に対する固定子３の相対運動を発生させることで駆動対象を移送する。

【0010】

続いて、固定子３及び電機子２の構成について詳細に説明する。説明において、「上下」、「前後」及び「左右」は、電機子２側を上側とし、固定子３側を下側とし、固定子３の一端側を前側とした方向を意味する。

【0011】

固定子３は、ヨーク３ａと複数の突極３ｂとを有する。ヨーク３ａは、前後方向に沿って延びると共に左右方向に沿って広がった帯状を呈する。複数の突極３ｂは、前後方向に沿って並ぶと共に、それぞれヨーク３ａから上側に突出する。突極３ｂは、左右方向に沿って延び、台形の断面形状を呈する。突極３ｂの断面形状は台形に限られず、例えば矩形又は半円形であってもよい。

【0012】

固定子３は、例えば３％珪素鉄等の鉄系の軟磁性材料により構成される。固定子３は、珪素鋼板等の電磁鋼板を左右方向に沿って積層したものであってもよく、軟磁性複合材料（ＳＭＣ）を圧縮成形したものであってもよく、鉄系の構造材により一体的に形成されたものであってもよい。

【0013】

電機子２は、電機子コア４と、６セットの電機子巻線７と、２３個の永久磁石８とを有する。

【0014】

電機子コア４は、ヨーク５と、６個のティース６とを有する。ヨーク５は、前後方向に沿って延びると共に左右方向に沿って広がった平板状を呈する。ヨーク５の下面には、前後方向に沿って並ぶ６箇所の凹部５ａが形成されている。凹部５ａは、それぞれ左右方向に沿って延びている。

【0015】

６個のティースは、６箇所の凹部５ａにそれぞれ嵌合し、ヨーク５から下側に突出している。ヨーク５とティース６とは例えば接着により固定されている。ティース６の先端部には、前側及び後側に広がる２箇所の張出部６ａが形成されている。ティース６の先端面には、凹部６ｂが形成されている。凹部６ｂは、前後方向においてティース６の中央部に位置し、左右方向に沿って延びている。

【0016】

ヨーク５及びティース６は、例えば３％珪素鉄等の鉄系の軟磁性材料により構成される。ヨーク５及びティース６は、珪素鋼板等の電磁鋼板を左右方向に沿って積層したものであってもよく、軟磁性複合材料（ＳＭＣ）を圧縮成形したものであってもよい。

【0017】

６セットの電機子巻線７は、６個のティース６にそれぞれ巻かれている。最前のティース６Ａに巻かれた電機子巻線７Ａと、前から３番目のティース６Ｃに巻かれた電機子巻線７Ｃと、前から５番目のティース６Ｅに巻かれた電機子巻線７Ｅとには、互いに位相が１／３周期ずれた３相の交流がそれぞれ供給される。以下、電機子巻線７Ａに供給される交流を「Ｕ相交流」といい、電機子巻線７Ｃに供給される交流を「Ｖ相交流」といい、電機子巻線７Ｅに供給される交流を「Ｗ相交流」という。

【0018】

前から２番目のティース６Ｂに巻かれた電機子巻線７Ｂと、前から４番目のティース６Ｄに巻かれた電機子巻線７Ｄと、前から６番目のティース６Ｆに巻かれた電機子巻線７Ｆとには、Ｗ相交流と、Ｕ相交流と、Ｖ相交流とがそれぞれ供給される。電機子巻線７Ｄ，７Ｆ，７Ｂへの交流の供給方向は、電機子巻線７Ａ，７Ｃ，７Ｅへの交流の供給方向に対してそれぞれ逆向きである。

【0019】

電機子コア４及び電機子巻線７は、モールド材Ｐ１により一体化され、電磁石ユニットＵ１を構成している。電磁石ユニットＵ１は、前後方向に延びた直方体形状を呈する。モールド材Ｐ１は、例えばエポキシ系樹脂である。

【0020】

２３個の永久磁石８は、前後方向に沿って並んだ状態で、電磁石ユニットＵ１の下に配置されている。それぞれの永久磁石８は、左右方向に沿って延び、矩形の断面形状を呈する。６個の永久磁石（第１永久磁石）８Ａは、下側がＳ極、上側がＮ極となるように配置されている。すなわち、永久磁石８Ａは上側に向かう磁界を生じるように配置されている。６個の永久磁石（第２永久磁石）８Ｂは、下側がＮ極、上側がＳ極となるように配置されている。すなわち、永久磁石８Ｂは下側に向かう磁界を生じるように配置されている。永久磁石８Ａと永久磁石８Ｂとは交互に並んでおり、ティース６ごとに一対の永久磁石８Ａ，８Ｂが位置している。すなわち、それぞれのティース６の先端側には、前後方向に沿って並ぶ一対の永久磁石８Ａ，８Ｂが設けられている。なお、上述した張出部６ａにより、ティース６の先端面が拡張されている。これにより、ティース６と永久磁石８Ａ，８Ｂとの対向面積が大きくなり、電磁石ユニットＵ１が発生する磁界と永久磁石８Ａ，８Ｂが発生する磁界とが効率よく合成される。

【0021】

６個の永久磁石８Ｃは、ティース６の先端側において永久磁石８Ａ，８Ｂの間に配置されている。５個の永久磁石８Ｄは、ティース６同士の間において、永久磁石８Ａ，８Ｂの間に配置されている。永久磁石（第３永久磁石）８Ｃ，８Ｄは、いずれも永久磁石８Ａ側がＳ極、永久磁石８Ｂ側がＮ極となるように配置されている。すなわち、永久磁石８Ｃ，８Ｄは、いずれも前後方向に沿う磁界を生じるように配置されている。このように、永久磁石８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄは、所謂ハルバッハ配列を構成している。

【0022】

ティース６の突出方向において、永久磁石８Ａの厚さと永久磁石８Ｂの厚さとは略同等であり、永久磁石８Ｃ，８Ｄの厚さは永久磁石８Ａ，８Ｂの厚さに比べ大きい。これにより、２３個の永久磁石８は、上側に凹凸Ｒ１を構成する。凹凸Ｒ１はティース６に嵌合する。具体的には、永久磁石８Ｃの上部がティース６の凹部６ｂに嵌合し、永久磁石８Ｄの上部がティース６同士の間に嵌合する。

【0023】

２３個の永久磁石８は、断熱材層９を介してティース６に固定されている。断熱材層９は、ティース６の構成材料に比べ熱伝導率が低い断熱材により構成される。断熱材としては、例えばセラミック又はガラス繊維等が挙げられる。断熱材は軟磁性材料を含んでいてもよい。断熱材層９の厚さは、可能な限り薄いことが好ましく、例えば０．２〜０．３ｍｍである。

【0024】

電機子２は、次の手順により組み立てられる。まず、ヨーク５とティース６とが分離した状態で、それぞれのティース６に上側から電機子巻線７を装着する。ティース６に電機子巻線７を巻き付けてもよいし、予め巻かれた電機子巻線７をティース６に被せてもよい。上側から電機子巻線７を装着するので、張出部６ａが障害とならず、作業を容易に行うことができる。次に電機子コア４と電機子巻線７とをモールド材Ｐ１により一体化する。次に、断熱材層９を介して永久磁石８をティース６に固定する。このとき、予めシート状に形成された断熱材層９をティース６に接着し、永久磁石８を断熱材層９に接着してもよい。断熱性を有する接着剤によりティース６と永久磁石８とを接着し、硬化した接着剤により断熱材層９を形成してもよい。

【0025】

このようなリニアモータ１では、電機子２の電機子コア４、電機子巻線７及び永久磁石８の協働により進行磁界が生じ、この進行磁界が突極３ｂに作用することで推力が発生する。この推力により、固定子３の長手方向に沿って電機子２及び固定子３の相対運動が生じる。

【0026】

リニアモータ１を駆動し続けると、電機子巻線７が発熱する。従来のリニアモータでは、電機子巻線の発熱に伴い推力が低下する場合があった。本発明者等は、電機子巻線の発熱に伴う永久磁石の温度上昇が、推力低下の一因であることを見出した。

【0027】

リニアモータ１によれば、ティース６と永久磁石８との間に断熱材層９が介在するので、電機子巻線７から永久磁石８への伝熱が抑制される。これにより、電機子巻線７の発熱に伴う永久磁石８の温度上昇を抑制できる。永久磁石８には、温度上昇に伴い磁力が低下する傾向がある。このため、永久磁石８の温度上昇を抑制することにより、電機子巻線７の発熱に伴う推力の低下を抑制できる。

【0028】

複数の永久磁石８は、ティース６の突出方向における永久磁石８同士の厚さの違いにより上側に凹凸Ｒ１を形成し、凹凸Ｒ１はティース６に嵌合する。このため、電機子コア４と永久磁石８との接合強度が高められる。これにより、断熱材層９の材質選定及び厚さ設定等における強度面の制約が緩和されるので、永久磁石８の温度上昇をより確実に抑制できる。

【0029】

ティース６の突出方向において、永久磁石８Ａの厚さと永久磁石８Ｂの厚さとは略同等であり、永久磁石８Ｃ，８Ｄの厚さが永久磁石８Ａ，８Ｂの厚さに対して異なる。電機子２と固定子３との対向方向に沿う磁界を生じる永久磁石８Ａ，８Ｂの厚さを略同等にすることで進行磁界の強度を安定化させつつ、永久磁石８Ｃ，８Ｄにより凹凸Ｒ１を形成し、電機子コア４と永久磁石８との接合強度を高めることができる。

【0030】

〔第２実施形態〕
第２実施形態に係るリニアモータ１０の電機子２０は、カバー部材８０を更に有する点で、第１実施形態に係る電機子２と異なる。また、電機子２０は、電機子コア４を一体化した点、永久磁石８Ｃ，８Ｄを有しない点でも電機子２と異なる。

【0031】

図３及び図４に示すように、電機子２０の電機子コア４０は、ヨーク５及び６個のティース６に代えて、ヨーク５０及び６箇所のティース６０を有する。ヨーク５０とティース６０とは一体的に形成されている。ティース６０の先端部には、張出部６ａ及び凹部６ｂに相当する部分は形成されていない。

【0032】

永久磁石８Ａと永久磁石８Ｂとは交互に並んでおり、ティース６０ごとに一対の永久磁石８Ａ，８Ｂが位置している。すなわち、それぞれのティース６０の先端側には、前後方向に沿って並ぶ一対の永久磁石８Ａ，８Ｂが設けられている。永久磁石８Ａ，８Ｂは、断熱材層９を介してティース６０に固定されている。

【0033】

カバー部材８０は、薄板状を呈し、下側から全ての永久磁石８を覆うように配置される。カバー部材８０は、非磁性材料により構成されることが好ましい。好適な非磁性材料としては、例えば非磁性ステンレス等が挙げられる。図４に示すように、ティース６０の先端部の左右には、下方に突出する固定爪８１が設けられており、カバー部材８０は固定爪８１によりティース６０に固定される。カバー部材８０は永久磁石８に直接接着固定されてもよい。

【0034】

電機子２０は次の手順により組み立てられる。まず、それぞれのティース６０に下側から電機子巻線７を装着する。ティース６０に電機子巻線７を巻き付けてもよいし、予め巻かれた電機子巻線７をティース６０に被せてもよい。ティース６０には張出部６ａに相当する部分が設けられていないので、容易に電機子巻線７の装着作業を行うことができる。次に、電機子コア４０と電機子巻線７とをモールド材Ｐ１により一体化する。次に、断熱材層９を介して永久磁石８をティース６に固定する。次に、固定子３側から永久磁石８を覆うようにカバー部材８０を配置し、固定爪８１によりカバー部材８０をティース６０に固定する（図５参照）。

【0035】

電機子２０では、永久磁石８がカバー部材８０によってしっかりと電機子コア４側に保持される。これにより、断熱材層９の材質選定及び厚さ設定等における強度面の制約が緩和されるので、永久磁石の温度上昇をより確実に抑制できる。

【0036】

〔第３実施形態〕
第３実施形態に係るリニアモータの電機子２１は、カバー部材８０をなくすと共に、モールド材Ｐ２により永久磁石８を一体化した点で、第２実施形態に係る電機子２０と異なる。

【0037】

図６に示すように、電機子２１の１２個の永久磁石８は、モールド材Ｐ２により一体化されて永久磁石ユニットＵ４を構成している。モールド材Ｐ２は、例えばエポキシ系樹脂である。モールド材Ｐ２は、永久磁石８を固定子３側から覆う被膜Ｆを構成している。モールド材Ｐ２は、ティース６０同士の間において電機子コア４側に隆起して凹凸Ｒ２を構成している。凹凸Ｒ２は、ティース６０に嵌合する。

【0038】

電機子２１では、永久磁石８同士がモールド材Ｐ２により一体化されることにより、それぞれの永久磁石８がしっかりと電機子コア４側に保持される。被膜Ｆにより永久磁石８が固定子３側から覆われるので、永久磁石８が更にしっかりと電機子コア４側に保持される。凹凸Ｒ２がティース６に嵌合するので、電機子コア４と永久磁石８との接合強度が高められる。これらのことから、断熱材層９の材質選定及び厚さ設定等における強度面の制約が更に緩和されるので、永久磁石８の温度上昇を更に確実に抑制できる。

【0039】

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施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様々な変更が可能である。例えば、電機子２及び電機子２０において、永久磁石８をモールド材Ｐ２により一体化してもよい。断熱材層９を介する接着のみで十分な強度が得られる場合には、凹凸Ｒ１，Ｒ２を構成すること、カバー部材８０を設けること、モールド材Ｐ２により永久磁石８を一体化すること及び被膜Ｆを設けることは必須ではない。

【0040】

ティース６，６０の数、電機子巻線７の数及び３相交流の割り当ては適宜変更可能である。永久磁石８の数及び配置も適宜変更可能である。電機子巻線７に供給する交流は、必ずしも３相に限られない。推力を継続的に発生させられる構成であれば、単層、２相又は４相以上であってもよい。

【0041】

図７に示すように、永久磁石８の側面にヒートシンク８２を更に設けてもよい。これにより、永久磁石８の温度上昇を更に確実に抑制できる。

【符号の説明】

【0042】

１，１０…リニアモータ、２，２０，２１…電機子、３…固定子、３ｂ…突極、４，４０…電機子コア、６，６０…ティース、７…電機子巻線、８…永久磁石、８Ａ…第１永久磁石、８Ｂ…第２永久磁石、８Ｃ，８Ｄ…第３永久磁石、９…断熱材層、８０…カバー部材、Ｆ…被膜、Ｐ２…モールド材、Ｒ１，Ｒ２…凹凸。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】