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発明の名称 リニアモータ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平8−80027
公開日 平成8年(1996)3月22日
出願番号 特願平6−206557
出願日 平成6年(1994)8月31日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 (外2名)
発明者 梨木 政行
要約 目的
2次側の1次側に対する位置により2次側の磁気抵抗の差があることを利用して回転力を発生する同期電動機において、2次側の磁極が向いている方向の電動機電流成分により界磁磁束が悪影響を受け難いリニアモータを得、低推力リップル、高ピークトルク、高力率、高効率、を実現し、さらには、リニアモータの低価格化を実現する。

構成
2次側162の磁極部材162に磁極方向には磁気抵抗が小さく磁極の横方向には磁気抵抗の大きな磁極構造とするため積層電磁鋼板を使用し、隣合う磁極へ磁気的に独立した複数の分割磁路1を設けた。
特許請求の範囲
【請求項1】 2次側とその2次側の長さ方向に相対的に移動する1次側とで構成されるリニアモータにおいて、前記1次側は、巻回された2相以上の多相巻き線を有し、前記2次側は、複数の磁極を有し、前記磁極は、前記各磁極からの磁路を複数に分割し、各磁極からそれぞれ隣合う磁極へは磁気抵抗を小さく、リニアモータ駆動方向の各磁極両端からみた磁極内の磁気抵抗を大きくする磁気絶縁手段と、を備える事を特徴とするリニアモータ。
【請求項2】 2次側とその2次側の長さ方向に相対的に移動する1次側とで構成されるリニアモータにおいて、前記1次側は、巻回された2相以上の多相巻き線を有し、前記2次側は、複数の磁極を有し、前記各磁極は、隣合う磁極間に通じている各磁極の磁路が複数に分かれており、リニアモータ駆動方向の各磁極両端の間の磁気抵抗が隣合う磁極間に通じている磁路の磁気抵抗より大きくなっていることを特徴とするリニアモータ。
【請求項3】 請求項2記載のリニアモータにおいて、2次側磁極の複数の磁路は、磁性鋼板の一部を除去して磁極内の磁気絶縁部を作り、電磁鋼板をリニアモータの駆動方向にほぼ平行に配置し、リニアモータの駆動方向に直角な方向に積層された構造であることを特徴とするリニアモータ。
【請求項4】 請求項2記載のリニアモータにおいて、2次側磁極は、リニアモータの駆動方向に直角な方向に配置した電磁鋼板が積層された構造であることを特徴とするリニアモータ。
【請求項5】 2次側とその2次側の長さ方向に相対的に移動する1次側とで構成されるリニアモータにおいて、前記1次側は、巻回された2相以上の多相巻き線を有し、前記2次側は、複数の磁極を有し、前記磁極は、各磁極を構成する部材が隣合う磁極への磁路の方向へは磁気抵抗が小さく、リニアモータ駆動方向の各磁極両端からみた磁極内の磁気抵抗は大きい磁気方向性のある部材で構成されている事を特徴とするリニアモータ。
【請求項6】 請求項5記載のリニアモータにおいて、前記磁気方向性のある部材は、棒状の磁性部材と非磁性部材とを束ねた構造であることを特徴とするリニアモータ。
【請求項7】 請求項1乃至6記載のリニアモータにおいて、前記1次側と前記2次側との複数の組合わせ、あるいは前記1次側または前記2次側の一部を共用していることを特徴とするリニアモータ。
【請求項8】 請求項1乃至7記載のリニアモータにおいて、前記1次側は、巻き線が設けられている部分の進行方向前後の片方あるいは両方に1次側巻き線により励起される磁束を通す磁気回路を設けたことを特徴とするリニアモータ。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ほぼ直線的に駆動する改良されたリニアモータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のリニアモータとしては、その目的等によりいくつかの種類のリニアモータがある。図15に一般的なリニアモータの基本構成を示す。リニアモータは、可動子61と固定子62とで構成される。可動子61は、矢印の方向に移動可能で本説明では1次側と呼称する。固定子62は、リニアモータの移動ストロークに応じた長さとなり、本説明では2次側と呼称する。勿論可動子と固定子とは1次側でも2次側でもどちらでもよい。
【0003】図16にリニアモータの従来例の進行方向断面図を示す。
【0004】1次側61は電磁鋼板が積層されたもので、各スロットには三相交流巻き線U1,U2,V1,V2,W1,W2が巻回され、その巻き線図は巻き線回数が1ターンの場合で表すと図17に示すようになっている。通常は数10ターンの巻き線回数となっていることが多い。各相巻き線の結線はスター巻き線となっており、交流回転機の場合、図18に示したようなシンボルで表す巻き線21、22、23に相当し、U1−U2、V1−V2、W1−W2の各巻き線である。図におけるU,V,Wは各巻き線の端子である。
【0005】2次側62は、永久磁石19とその磁路20とで構成されている。2次側62の磁極は永久磁石のN極、S極が図のように交互に1次側61に対向するような配置となっている。
【0006】次にその動作について説明する。
【0007】リニアモータの移動方向の2次側磁極の位置をX軸とし、X軸のプラス方向に向かう時2次側磁極がS極からN極に移り変わる磁極境界位置の一つをX=0と定義する。2次側62の磁極の磁束密度Bは図19(a)に示すようにX軸位置に応じて周期が磁極ピッチPP、即ち電気角で360度ピッチ、振幅B0の正弦波状であると仮定する。一方、1次側61の位置RPは、U1の巻き線がX=0の位置にある時のスライダ位置をRP=0と定義する。
【0008】今、三相各相巻き線に図19(b),(c),(d)に示すような三相交流電流IU,IV,IWを流すとフレミングの左手法則に従ってX軸のプラス方向に推力FFが発生する事になる。
【0009】
【数1】B =B0・SIN(X)
IU=IA・SIN(RP)
IV=IA・SIN(RP−120゜)
IW=IA・SIN(RP−240゜)
FF=B・I・L=[ B0・SIN(RP)・IA・SIN(RP)+B0・SIN(RP−120゜)・IA・SIN(RP−120゜)+B0・SIN(RP−240゜)・IA・SIN(RP−240゜)]・WT・2・WL=3・B0・IA・WT・WLここで、WT各相巻き線のターン数、WL各巻き線1/2ターンの巻き線有効長である。なお、上記式をまとめて式(1)とする。
【0010】推力の大きさは、式(1)の通りであり、三相交流回転機理論で良く知られているように、X軸位置には関係なく三相交流電流の振幅IAに比例した推力FFを得る事ができ、ここに示した制御範囲内では良好な制御特性を得る事ができる。
【0011】図20に他の従来例の進行方向断面図を示す。1次側61は図16と同じである。2次側65は図に示すように軟磁性体で作られた突極構造の磁極が連続して配置された構造となっている。このリニアモータの動作は1次側61の三相巻き線U1,U2,V1,V2,W1,W2によって作られる起磁力の最大値が位置する部分へ2次側65の突極中心部24が磁気的に引き寄せられる力をリニアモータの発生推力とするものである。従って、三相電流の位相をシフトすることにより任意の方向へ推力を発生することができ、位置制御することが可能である。推力の大きさは、相対的位相の大きさと三相電流の大きさに関係した値となる。
【0012】図21に他の従来例として、ステッピンモータの原理で駆動するリニアモータの例の進行方向断面図を示す。1次側63は、A,B,C,Dの4相の巻き線を持っている。例えば、B相巻き線は、B1,B2の部分に巻回され、さらに直列に、B3,B4に逆巻きに巻回されている。B相巻き線に誘起される磁束は図示するように、B相巻き線を通り2次側64を通過しループを描くようになっている。
【0013】図21のリニアモータの駆動原理は、例えば1次側63をX方向に駆動する場合、図示するようにB相に電流を通電し、位置の移動にともない順次磁気吸引力の働く相の巻き線へ通電するものである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】図16に示した従来例では、永久磁石の性能にもよるが比較的効率よく大きな推力を発生することができる。しかし、例えば特性の良い希土類磁石等を使用すると永久磁石が高価でコスト高になるという課題、永久磁石を固定するための部材が必要、組立コストがかかるというコスト上の課題がある。
【0015】また特性的には、永久磁石による一定界磁なのでリニアモータの駆動装置のパワー電源電圧で駆動できるリニアモータの電圧制限により駆動速度の限界がある。言い換えると、永久磁石型直流電動機あるいは永久磁石型同期電動機の高速回転限界と同様に、駆動速度の限界があるという課題がある。この対策として、巻き線回数を減少させ誘起電圧を下げる方法もあるが、この場合は同一推力を得るためには駆動電流値を上げる必要が出てきて駆動装置の駆動電流容量を上げる必要が出てくる。即ち、駆動速度の限界と駆動装置容量とがトレードオフ関係にある。
【0016】また他の課題として、瞬時大推力を得るため大きな電流を流すと永久磁石が減磁するという課題もある。
【0017】図20に示した従来例の課題は、大きな推力を得にくいこと、推力が駆動位置により変動し、推力リップルの発生、駆動騒音の発生となり易いことである。大きな推力が得られない原因は、2次側の磁極全体が方向性の無い磁性体であるため巻き線電流の大きさと位相により、磁極の磁束中心の位置が変化し易いことによると考えることができる。推力リップルの発生、駆動騒音の発生の原因は、2次側の磁極形状と1次側のスロットとが不連続なため、1次側からみた2次側の磁気抵抗が大きく変化するためと見ることができる。
【0018】図21に示した従来例の課題は、大きな推力を得にくいこと、推力が駆動位置により変動し、推力リップルの発生、駆動騒音の発生となり易いこと、駆動時の各相巻き線の通電デユーテイが図21の場合で約1/4と低くその分だけ駆動効率が低いこと、各相巻き線が励起する磁束の増減に伴った磁気吸引力がこのリニアモータ推力の源なので、供給電力の内の内部磁気エネルギ供給分と機械的推力のエネルギ供給分とが同位相となり、駆動装置のパワーデバイス負担が大きいこと、である。
【0019】本発明は、以上の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、2次側の磁極が向いている方向の電動機電流成分により界磁磁束が悪影響を受け難くすることで、低推力リップル、高ピークトルク、高力率、高効率、を実現し、さらには、低価格化を実現するリニアモータを提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するために、請求項1記載の発明は、2次側とその2次側の長さ方向に相対的に移動する1次側とで構成されるリニアモータにおいて、前記1次側は、巻回された2相以上の多相巻き線を有し、前記2次側は、複数の磁極を有し、前記磁極は、前記各磁極からの磁路を複数に分割し、各磁極からそれぞれ隣合う磁極へは磁気抵抗を小さく、リニアモータ駆動方向の各磁極両端からみた磁極内の磁気抵抗を大きくする磁気絶縁手段と、を備える事を特徴とする。
【0021】請求項2記載の発明は、2次側とその2次側の長さ方向に相対的に移動する1次側とで構成されるリニアモータにおいて、前記1次側は、巻回された2相以上の多相巻き線を有し、前記2次側は、複数の磁極を有し、前記各磁極は、隣合う磁極間に通じている各磁極の磁路が複数に分かれており、リニアモータ駆動方向の各磁極両端の間の磁気抵抗が隣合う磁極間に通じている磁路の磁気抵抗より大きくなっていることを特徴とする。
【0022】請求項3記載の発明は、請求項2記載のリニアモータにおいて、2次側磁極の複数の磁路は、磁性鋼板の一部を除去して磁極内の磁気絶縁部を作り、電磁鋼板をリニアモータの駆動方向にほぼ平行に配置し、リニアモータの駆動方向に直角な方向に積層された構造であることを特徴とする。
【0023】請求項4記載の発明は、請求項2記載のリニアモータにおいて、2次側磁極は、リニアモータの駆動方向に直角な方向に配置した電磁鋼板が積層された構造であることを特徴とする。
【0024】請求項5記載の発明は、2次側とその2次側の長さ方向に相対的に移動する1次側とで構成されるリニアモータにおいて、前記1次側は、巻回された2相以上の多相巻き線を有し、前記2次側は、複数の磁極を有し、前記磁極は、各磁極を構成する部材が隣合う磁極への磁路の方向へは磁気抵抗が小さく、リニアモータ駆動方向の各磁極両端からみた磁極内の磁気抵抗は大きい磁気方向性のある部材で構成されている事を特徴とする。
【0025】請求項6記載の発明は、請求項5記載のリニアモータにおいて、前記磁気方向性のある部材は、棒状の磁性部材と非磁性部材とを束ねた構造であることを特徴とする。
【0026】請求項7記載の発明は、請求項1乃至6記載のリニアモータにおいて、前記1次側と前記2次側との複数の組合わせ、あるいは前記1次側または前記2次側の一部を共用していることを特徴とする。
【0027】請求項8記載の発明は、請求項1乃至7記載のリニアモータにおいて、前記1次側は、巻き線が設けられている部分の進行方向前後の片方あるいは両方に1次側巻き線により励起される磁束を通す磁気回路を設けたことを特徴とする。
【0028】
【作用】リニアモータ内部に生成される磁束が2次側の複数の磁路にそって生成され易く他の方向には磁気抵抗が大きい磁気回路構造となっているため、界磁磁束を磁極位置とほぼ同期した位置に生成する事ができる。
【0029】従って、界磁磁束が存在する位置に推力を発生する電流成分を流しても界磁磁束が乱される程度が少なく、磁束に鎖交する電流を通電でき、効率よく推力を得る事ができる。
【0030】特に大きな推力を得るため1次側に大きな通電電流を流す時、界磁磁束位置が変化し難く、大きな推力を得ることができる。
【0031】また、推力の場所に依存した推力リップルについては、磁気抵抗、内部磁気エネルギの観点で表現すると、本発明におけるリニアモータでは各三相巻き線の磁気抵抗の総和の位置Xによる変化、リニアモータの位置Xによる内部磁気エネルギ変化が小さくできる幾何学構造となっているので推力リップルを小さくする事ができる。
【0032】
【実施例】以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例について説明する。
【0033】図1は本実施例のリニアモータの駆動方向断面図であり、駆動方向に磁極が隣接している。各磁極範囲は図1にS極、N極、S極、N極、S極、N極と図示した範囲である。
【0034】1次側161は、図16の従来例と同様に、電磁鋼板を積層したもので各スロットには三相交流巻き線が巻回されている。図1の1次側161は図16の従来例に比較し、1次側の巻き線が設けられたスロットの進行方向前後に巻き線の入っていない磁気回路30を設けている。このリニアモータ進行方向前後の磁気回路30によって界磁磁束が三相巻き線電流により有効に励起される。もしこの進行方向前後の磁気回路がなければ、1次側の位置によっては界磁磁束が一部欠落する事になり、その分だけ推力が部分的に低下し、また、推力のリップルの原因にもなる。
【0035】なお、この巻き線の設けられない空きスロットは使用されないので磁性物質でふさいで無くすることも可能である。また、磁気回路30は、進行方向の前後いずれか一方でもよく、配置される個数は適宜調整すればよい。図1では集中巻きで進行方向の長さは三相巻き線が一組の例を図示しているが、三相以外の二相、四相、五相等の多相巻き線でも同等の特性を得る事ができる。巻き方も集中巻きの例を記述しているがもちろん分布巻きにもでき、重ね巻きなど種々巻き線の変形が可能である。
【0036】また、1次側の大きさも所望推力の大きさにより図1に示すユニットを複数個連結した構造とし、各相巻き線をシリーズに接続する事も可能である。磁気特性的には1次側と2次側とを相対的にスキューし、磁気的不連続性を軽減する事なども可能である。全体構造も、図15、図1に示すような直方体が対向した構造に限定するものではない。
【0037】2次側162は、磁極の磁路を9磁路に分割した分割磁路1の一つであり、材質は軟磁性体である。また、磁極磁路の磁性部である分割磁路1の間には磁極磁路の非磁性部であり磁気絶縁手段としての磁気絶縁部2が層状に設けられ、樹脂層、空気層等の非磁性体で構成されている。2次側162の長さは、図1では4磁極分の長さしか図示していないがリニアモータの駆動ストロークの大きさに必要な長さとなっている。
【0038】まず、界磁磁束について説明する。
【0039】図1において、磁極の境界部に対向する位置の1次側巻き線に電流を流すと、各磁極には磁束が励起され、図示したようなS極、N極あるいは逆極性の磁極が生成される。磁極間の磁極境界部に対向する位置の1次側電流成分を界磁電流成分と呼ぶことにする。
【0040】磁極の中心位置に対向する位置の1次側巻き線に電流を流すと、この電流による起磁力は全て磁気絶縁層2に鎖交する方向に働き、この方向の磁気抵抗が大きいのでこの電流成分により励起される磁束成分の大きさは小さい。磁極の中心位置に対向する位置の1次側電流成分を電機子電流成分と呼ぶ事にする。
【0041】次に、界磁電流成分と電機子電流成分とが重畳して流れている場合の界磁の動作について説明する。
【0042】まず、界磁電流成分が既に流れていて各磁極に界磁磁束が存在している状態を想定し、その後電機子電流成分を零から増加させていくと仮定すると、前述したように電機子電流成分による起磁力が働く方向へは磁気抵抗が大きく磁束は発生しにくいのであるから、界磁磁束は電機子電流成分により大きな影響は受けない。この時、電機子電流成分と電機子電流成分に鎖交する界磁磁束との関係でリニアモータの推力を発生する。
【0043】次に、リニアモータの発生する推力を数式を用いて説明する。
【0044】リニアモータの発生推力、注入電気エネルギ、リニアモータの内部エネルギ等の間の基本的考え方は次の通りである。
【0045】
【数2】
[△X微小変位する間の注入電気エネルギEIN]−[内部損失ECS]
=[発生推力FF]×[微小変位量△X]
+[△X微小変位したときの内部エネルギの変化△EST] ・・(2)
今、説明を単純化するために、[内部損失ECS]即ち銅損、鉄損等は零であると仮定する。[△X微小変位したときの内部エネルギの変化△EST]は、内部エネルギが大きく変化するような機器構造あるいは制御方式の場合は、この項が重要であるが、今、内部エネルギがあまり変化しない場合について考えてみることにし、この項が零であると仮定する。このような前提条件では式(2)は次のようになる。
【0046】
【数3】
[△X微小変位する間の注入電気エネルギEIN]
=[発生推力FF]×[微小変位量△X] ・・(3)
また、電気機械について注入電気エネルギEINは一般的に次式となる。
【0047】
【数4】
EIN=[巻き線に誘起する電圧VG]×[巻き線へ通電する電流値IX]
×△TM =WT×△FL/△TM×IX×△TM ・・(4)
但し、WTはこの電気機械に巻かれた巻き線のターン数、△FLは△X微小変位するときのこの巻き線の磁束変化、△TMは△X微小変位する時間、IXはこの巻き線に通電している電流値、である。
【0048】一方、この電気機械の機械的出力は次の関係式が成り立つ。
【0049】
【数5】
EIN=[変位方向に発生する力FF]×[微小変位量△X] ・・(5)
式(4)と式(5)とから発生力FFの関係式を次のように求める事ができる。
【数6】EIN=WT×△FL/△TM×IX×△TM=FF×△Xより、FF=WT×△FL/△X×IX ・・(6)
整理すると、電気機械の機械的出力FFは巻き線のターン数WTとその巻き線に流れる電流値IXと微小変位△X動いた時にその巻き線に鎖交している磁束の変化量△FL/△Xとの積として表すことができる。
【0050】また、式(4)、(5)、(6)の関係式が注入エネルギが誘起電圧と電流との積であるという単純で明らかな関係式だけを用いたものなので、例えば巻き線が図1の三相巻き線のように複数組ある場合の解析方法は、各巻き線について各巻き線電流と鎖交磁束との関係を式6を適用し、それぞれの推力を加算合計することにより求める事ができる。
【0051】さらに、一つの巻き線に流れている電流IXをIX=IX1+IX2と二つの電流に分解したときIX1とIX2についてそれぞれ式(6)を適用し、その結果を加算合計することもできるという関係も成り立つ。即ち具体的には、一相の電流を界磁電流成分と電機子電流成分とにベクトル分解して考え、それぞれを式(6)で計算した後加算しても結果は同じである。
【0052】また、式(6)において、特定条件として、仮定としてスロットと歯の部分とが均一な磁束密度Bの場であり、通電する導体1ターンの磁束と鎖交する部分の長さがLである場合について考えてみると、【数7】△FL=B×L×△Xとなるので、FF=WT×△FL/△X×IX =WT×B×L×IX ・・(7)
となり、フレミングの左手の法則と全く同じ式に変形できる。即ち式(6)は、磁束の分布が均一でない場合にも成り立つ一般式であるといえる。
【0053】前記説明において、推力FFは、各相電流と電流に鎖交する磁束との相関関係で計算できる事を示したが、各相電流が流れる巻き線と磁束との間で前記計算された力が働くわけではない。特に図1のように各相巻き線が磁性材料で囲まれている場合は、力は1次側161と2次側162との間に存在する磁力線の間に働く引力として観測することもできる。
【0054】また、前記したように、式(6)、(7)が成り立つ条件は、[△X微小変位したときの内部エネルギ変化△EST]が小さく無視できる事である。
【0055】次に、本実施例におけるリニアモータの特性を説明するため、その制御装置例を含めた制御の方法について説明する。
【0056】図2に本実施例におけるリニアモータの制御装置の一例を示す。
【0057】図2において、制御装置は、1次側161と2次側162との相対的位置を検出しその検出信号DSを出力する位置検出器163と、検出信号DSから位置信号RPを検出する位置検出回路55と、検出信号DSから速度信号SDを検出する速度検出回路56と、速度指令SIから速度信号SDを減じて速度誤差信号ESを得る加算器51と、速度誤差信号ESをPID補償などを行う事により推力指令SAを作る速度制御部57と、を有している。
【0058】更に、制御装置は、速度信号SDと位置信号RPとを入力として三相U,V,W相の各相界磁電流指令SFIU,SFIV,SFIWを出力する界磁電流指令回路59を有している。
【0059】今、界磁電流指令の振幅をSFとすると、三相の界磁電流成分は、【数8】SFIU=SF・SIN(RP−90゜)
SFIV=SF・SIN(RP−90゜−120°)
SFIW=SF・SIN(RP−90゜−240°)
となる。なお、上記式をまとめて式(8)とする。
【0060】界磁電流指令の振幅SFは定推力領域の速度範囲、即ち速度信号SDが零から一定速度VLC迄の範囲では、各磁極の界磁磁束が物理的に飽和磁束密度に近い値となるような最大値SFMXとなり、速度が一定速度VLC以上では界磁電流指令の最大振幅値SFMXから速度SDに反比例して減少する値を取る。通常の設計では、一定速度VLCの時、各巻き線の誘起電圧が制御装置の駆動可能な最大電圧となるように設計される事が多い。一定速度VLC以上では、各巻き線の誘起電圧は界磁磁束の大きさSFと速度SDとの積に比例するので、速度が一定速度VLC以上では各巻き線の誘起電圧はほぼ一定値となり、制御装置で駆動可能な最大電圧になる。位置信号RPは単位をリニアモータの電気角で表し、U1の2次側磁極に対する巻き線位置は、図1において、位置信号RPのプラス方向に移動すると仮定した時、RP=0の位置でU1の巻き線が2次側磁極のN極からS極に移り変わる磁極の境界に位置するものとする。
【0061】また、電機子電流指令回路58は、速度が一定速度VLC以下では推力指令値に比例した値となる電流振幅指令SAと位置信号RPとを入力とし三相電機子電流指令SAIU,SAIV,SAIWを出力する。
【0062】
【数9】SAIU=SA・SIN(RP)
SAIV=SA・SIN(RP−120°)
SAIW=SA・SIN(RP−240°)
なお、上記式をまとめて式(9)とする。加算器72、73、74は、それぞれ三相界磁電流指令と三相電機子電流指令とを加算し三相電流指令SIU,SIV,SIWを電流制御回路60へ出力する。
【0063】
【数10】SIU=SFIU+SAIUSIV=SFIV+SAIVSIW=SFIW+SAIWなお、上記式をまとめて式(10)とする。式(10)は、他の計算手法として、界磁電流成分と電機子電流成分とをそれぞれのベクトルとして表し、両ベクトルをベクトル加算して合成ベクトルを求め、合成ベクトルの振幅と位相から三相分配して三相電流指令SIU,SIV,SIWを求めても結果は同じ値となる。
【0064】また、電流制御回路60は、電力増幅しリニアモータの各三相巻き線U,V,Wへ駆動電流IU,IV,IWを流す。この時の具体的な磁束分布と各相電流値と発生推力とについて考えてみる。
【0065】2次側162の磁極位置を図1に示すようにX軸として表し、X軸の正方向に向かってS極からN極に変わるある境界点をX=0とする。また、検出器163により検出される1次側位置RPは、巻き線U1がX=0の位置にある時をRP=0とする。また、説明の簡略化のため、リニアモータに発生する磁束分布は、正弦波分布であると仮定し、RP=360度の時、磁束分布は図3の(a)に示すようにする。正確には図1のモデルでは1次側161のX軸両端部では2次側162の磁路が欠落しており図3の(a)の様な磁束分布にならないのであるが、この磁束の乱れの補償法については後で説明することにし、図3の(a)の様な磁束分布になっているものと想定し説明する。実際に、1次側161に三相交流巻き線がX軸方向に複数MP組直列に配設された場合には、1次側161両端の磁束の乱れによるリニアモータの出力推力の誤差は1/MPと相対的に小さくなる。また、1次側161は3組以上の三相交流巻き線がX軸方向に直列に接続されていて、その中央部の1組の交流巻き線部を切りとって図1の1次側161に表現していると見る事もできる。式(8)、(9)、(10)に示した各相の各電流は、図3の(b),(c),(d)のようになる。
【0066】このような動作を行った時、式(8)で示される界磁電流成分SFIU,SFIV,SFIWは、図1のリニアモータにおいて、常に2次側162の磁極に図3の(a)に示される界磁磁束を作るように動作する。式(9)で示される電機子電流成分SAIU,SAIV,SAIWはこの磁束に直交し交差するように流れる。そして、電機子電流成分が作用する起磁力方向の磁気抵抗が大きいので、既に説明したように電機子電流成分が界磁磁束に与える影響は小さい。
【0067】この時発生する推力FFについて説明する。界磁磁束の分布が1次側161についても正弦波分布であると仮定して式(7)に従って考えてみる。
【0068】まず界磁電流成分の推力FFFについて式(7)を各三相巻き線に適用すると下式となる。
【0069】
【数11】
FFF=B・I・L =[ B0・SIN(RP)・SF・SIN(RP−90゜)
+B0・SIN(RP−120゜)
・SF・SIN(RP−90゜−120°)
+B0・SIN(RP−240゜)・SF ・SIN(RP−90゜−240°)]・WT・2・WL =0 ・・(11)
従って、界磁電流成分は推力を発生しない。
【0070】次に、電機子電流成分の推力FFAについて式(7)を各三相巻き線に適用すると下式となる。
【0071】
【数12】
FFA=B・I・L =[ B0・SIN(RP)・SA・SIN(RP)
+B0・SIN(RP−120゜)・SA・SIN(RP−120゜)
+B0・SIN(RP−240゜)・SA・SIN(RP−240゜)]
・WT・2・WL =3・B0・IA・WT・WL ・・(12)
この結果、B0とIAとを可変制御する事により任意の推力を発生する事が可能となる。例えば、図2の様な制御を行えば、良好な速度制御が実現する。また、原理的には推力のリップルも無い。ピーク推力については、電機子電流成分が界磁磁束を大きく乱さない範囲において式(12)は成り立つので、2次側162の磁気絶縁設計を界磁磁束が電機子電流成分により乱されにくい用に設計すれば実用的に大きなピーク推力を得る事ができる。また、式(12)は式(1)と同じ形であり、同様の原理で推力を発生する事が解る。機能的に異なる点は、本実施例では界磁電流成分を制御し自在に式(12)のB0を制御できることである。
【0072】リニアモータの推力は正確には、[△X微小変位したときの内部エネルギ変化△EST]が機械的出力となる成分についても加える必要がある。図1の本実施例に比較し図21の従来例は特に[△X微小変位したときの内部エネルギ変化△EST]が大きいタイプのリニアモータであり、この成分を無視する事はできない。
【0073】図4に本発明に係る他の実施例を示す。
【0074】1次側261は、図1の161に相当するものであるが、進行方向前後を2点鎖線で記述し、省略して記述している。実際には図4に示す2点鎖線で区切られたユニットが複数接続され、さらに図1に示したような進行方向前後の磁気回路が付加された構造となっている。
【0075】2次側262は分割磁路3、磁気絶縁部4で組み合わされており、図1に比較し、2次側の1次側に対向する部分が部分的に磁気的に接続している。
【0076】2次側262の具体的構成は、図4の形状の電磁鋼板を外形と内部の磁気絶縁部4とをプレス加工等により除去して形状加工し、その後、リニアモータの駆動方向に直角な方向に積層した構造、即ち、図4において紙面の表側から裏側の方向へ積層した構造となっている。
【0077】この構造の効果は、製造的な問題では、図1の2次側162が図1の形状の電磁鋼版の積層したものである場合、電磁鋼板をプレスなどにより形状加工したとき複数部品に分かれてしまい組立が困難になるが、図4の形状であれば一部がつながっており1枚の板金として取り扱う事ができ、単に板金を積層すれば良いのであるから組立が容易である。
【0078】また、磁気的には2次側262の磁極表面で回転方向に漏れ磁束が発生するという欠点があるものの、磁極表面の磁束密度が平均化され、リニアモータ推力のリップルを低減するという効果がある。
【0079】図5は、隣合う磁極の境界部の磁気抵抗を高め、磁極の磁束の位置がより変化しにくい様に工夫した本発明例のリニアモータである。261は1次側、362は分割磁路5、磁気絶縁部6で組み合わされた2次側である。2次側362の磁極の境界部に凹みを作り磁極境界部の磁気抵抗をより大きな値とし、各磁極の磁束が電機子電流成分によりずれる事を防止している。
【0080】図1、図4、図5のリニアモータにおいて、2次側の補強の意味で部分的に各磁路に接続部をその漏れ磁束が問題とならない範囲で設ける事もできる。
【0081】図6は、本発明に係る他の実施例であり、図1を単純化し、2次側462の磁極の中央部分に磁気絶縁部8を設け、各磁極界磁束の電機子電流成分による乱れを小さくしたものである。7は分割磁路である。
【0082】図7は、2次側562を、図6の分割された各分割磁路7をごく一部だけ接続した例であり、接続部の漏れ磁束は好ましくはないが、その量は全体としてはごく一部であるので、実用上特性的には大きな問題とはならない。9は分割磁路、10は磁気絶縁部である。図4のリニアモータと同様に、2次側562を電磁鋼板の積層した構造とすれば製造的にも容易である。
【0083】図8は、本発明に係る他の実施例である。14は図11に示すようなコの字型の形状の電磁鋼板であり、少しずつ大きさの異なる電磁鋼板14がリニアモータの駆動方向に直角な方向に積層されて2次側662を構成している。電磁鋼板14が図11に示す矢印の方向へ磁気的に方向性のある電磁鋼板である場合は、磁気的に方向性のある電磁鋼板だけで分割磁路を構成している事になり、単純に積層しただけで、隣合う磁極間の磁気抵抗は小さく、リニアモータ駆動方向の各磁極の両端間からみた磁極内の磁気抵抗は大きい磁気方向性のある部材で構成されており、本発明の目的に沿う特性を得る事ができる。
【0084】また、図8のリニアモータにおいて、図11の形状の積層された電磁鋼板の間に図11の形状の磁気抵抗の大きい磁気絶縁板を挟み込む事により、各磁極の両端間の磁気抵抗をより大きい構造とし、リニアモータの特性を向上する事ができる。前記磁気抵抗の大きい磁気絶縁板は、エアギャップで代用しても良く、リニアモータ特性としてはその方が磁気抵抗が大きく、好ましい。前記磁気抵抗の大きい磁気絶縁板を挟み込む場合は、必ずしも磁気的に方向性のある電磁鋼板である必要はない。
【0085】また、図8のリニアモータにおいて、その進行方向へ磁極の磁束が変動し易い場合は電磁鋼板に渦電流が流れ渦電流損が発生するので、図9に示すように電気的絶縁のため電磁鋼板にスリットを入れることも有効である。
【0086】図10は、本発明に係る他の実施例であり、2次側762が矢印の方向に比透磁率が高く、他の方向へは比透磁率が低い構造となっている。
【0087】さらに、この分割磁路12、13の具体的な材質の例は、図12のような形状になっており、棒状の電磁部材15を例えば樹脂などの非磁性部材16で束ねた構造となっている。
【0088】また、上記のようなリニアモータの形態のみならず、1組の1次側と2次側とを複数組み合わせたり、1次側または2次側の一部を共用することもできる。
【0089】図13は、図1に示したリニアモータを二組組み合わせた例であり、2次側862のヨークの部分を共用しているため図1のリニアモータを二組並列させた場合より小型化されている。17は分割磁路、18は磁気絶縁部である。また、2次側862に及ぼす磁気吸引力は、相反する両方向から受けるのでキャンセルされ、駆動方向だけの推力だけとなるという効果もある。
【0090】このように、リニアモータを複数組み合わせることにより、一部部材の共用による小型化、磁気吸引力のキャンセルなどが可能である。
【0091】図14は、本発明の一実施例である図4に示したリニアモータを1次側261の背中合わせに組み合わせ、さらに巻き線の方法をU相巻き線はU1からU2、U3からU4、V相巻き線はV1からV2、V3からV4、W相巻き線はW1からW2、W3からW4へと巻く方法とすることにより、コイルエンドの短縮、巻き線の単純化/容易化を実現している。また、2次側262に加わる進行方向以外の吸引力も二組のリニアモータでキャンセルするという効果もある。同様に、本発明に係るリニアモータを複数組み合わせて一部部材の共用、不要な力のキャンセルなどの効果を得る事ができる。
【0092】以上、本発明に係る多種にわたる実施例について説明したが、1次側、2次側共に種々変形が可能であり、本発明に含むものである。
【0093】例えば、巻き線の相数、磁極極数、巻き線の巻き方等についてそれぞれ種々方法があり、ニーズに応じた選択が可能である。
【0094】また、リニアモータの推力のリップルを低減するため1次側、2次側の片方あるいは両方をスキューする、あるいは磁極間ピッチを少し変えるなどの通常の電動機に使われているテクニックを応用する事も勿論可能である。
【0095】また、1次側と2次側とが平面で対抗している例について説明したが、曲面形状、筒状、多角形状等の変形が可能である。
【0096】また、1次側と2次側とを相対的にスキューして推力のリップルをさらに低減することが可能である。
【0097】また、本実施例においては、2次側が固定で1次側が可動な場合について説明したが、勿論、相対的な動きであり、どちらが固定でも可能である。
【0098】また、ストロークについても2次側が短く、1次側がリニアモータのストローク分だけの長さを持っている事も可能である。
【0099】特に、可動側への配線が難しく、可動側をごく軽量にしたい場合は、1次側をストロークの長さ分だけ長く持ち固定し、2次側を短くし可動側とする方法が有効である。但し、この場合は複雑な構成である1次側を長くするのであるからコスト的には不利である。
【0100】また、駆動方向は、本発明はリニアモータと称しているが、直進するだけでなく曲線を描いて駆動する事、円弧状の駆動等も可能である。
【0101】
【発明の効果】本発明によれば、永久磁石型のリニアモータにおいては、高価な永久磁石が不要となりコスト低減、永久磁石を固定するための部材が必要、組立が不要となりコスト低減、界磁制御が自在なため界磁弱め制御を行うことができ、高速制御が駆動装置の容量を上げることなく実現可能なためトータルシステムコストを低減、永久磁石の減磁現象がなく高信頼、等の効果がある。
【0102】また、本発明のいわゆる突極形状でリラクタンス型のリニアモータにおいては、駆動効率が良く、ピーク推力が大きく出力でき、駆動原理的に推力のリップル、騒音が小さく駆動特性良好、高速駆動が容易、等の効果がある。




 

 


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