JP2008306911A - リニアー共鳴振動型電磁駆動装置（ＬＲＯＭＡ，ＬｉｎｅａｒＲｅｓｏｎａｎｔＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｙＭａｇｎｅｔｉｃＡｃｔｕａｔｏｒ） - Google Patents

Abstract

【課題】
従来のＬＯＡでは磁気回路のパーミアンスｐの空間的変化がｄｐ／ｄｘ＝０を満足しないため、ＬＯＡの励磁コイルの両端に速度起電力が発生する。
【解決手段】
本発明は、系の固定子と可動子から構成される直列磁気回路を提供することにより、系のパーミアンスの空間微分がゼロという条件ｄｐ／ｄｘ＝０を満足させて、系の速度起電力の誘起を抑制する装置を提供するものである。
さらに可動部の機械力学的な振動数を電源電流の周波数に同調させることによる共鳴振動過程を利用して可動部の振幅を増幅させるものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、電磁機械のリニアー振動アクチュエーター（Ｌｉｎｅａｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｙ Ａｃｔｕａｔｏｒ，ＬＯＡ）に関するものである。

技術背景

従来のリニアー振動アクチュエーター（ＬＯＡ）では系に蓄えられた電磁エネルギーを消費することにより可動子の推力Ｆが
Ｆ ＝ Ｈｄ＊ｌｍ＊Ｎ＊Ｉ＊ｄｐ／ｄｘ
で与えられる。但し
Ｈ_ｄ＝永久磁石内部の単位長さあたりの起磁力
ｌ_ｍ＝永久磁石の長さ
Ｎ＝励磁回路のコイルの巻き数
Ｉ＝励磁回路に流れる電流
ｐ＝磁気抵抗の逆数（パーミアンス）
ｘ＝可動子の空間的変位
とする。
つまり従来のＬＯＡでは推力が永久磁石の起磁力とコイルの起磁力とｄｐ／ｄｘ≠０に比例する（たとえば文献４６ページ参照）。
この推力Ｆに駆動された可動子が磁気回路の空隙を運動することにより磁気回路のコイルには速度起電力が誘起される（たとえば文献３１ページ参照）。

文献

山田一、山川和郎共著「リニアモーターとその応用、電気学会磁気アクチュエーター調査専門委員会偏、昭和５９年５月３０日発行」）

発明が解決しようとする課題

従来のＬＯＡでは磁気回路内の空隙のパーミアンスｐは可動子の位置の変位ｘの関数でｄｐ／ｄｘ≠０となるために系に蓄えられた電磁エネルギーが可動子の推力Ｆとして使われ、磁気回路のコイルには速度起電力が発生するという問題がある。

課題を解決する手段

本発明は、このような従来の問題を解決しようとするもので、ｄｐ／ｄｘ＝０の条件を保ちながら可動子を往復運動させることにより、磁気回路内のコイルに誘起される速度起電力の抑制を目的とするものである。
本発明は磁気回路のパーミアンスｐが可動子の位置の変位ｘに依存しない直列磁気回路を構成するように、磁気回路の空隙と固定子と可動子の配置ならびに形状を設計することにより、上記課題を解決したものである。
さらに負荷を含めた可動部の固有振動数を電源電流の周波数に同調させることにより系が共振するように電磁気学的な振動と機械力学的な振動の結合機構を提供するものである。

発明の効果

本発明によるとＬＲＯＭＡの磁気回路のパーミアンスｐが可動子の位置の変位ｘに依存しないため空隙内の可動子が往復運動をしても磁気回路のコイルに速度起電力は誘起されず、さらに負荷を含めた可動部の固有振動数を電源周波数と一致させた電磁気学的かつ機械力学的な共鳴振動過程を利用することにより可動部の振幅を増幅する。したがって、本発明では空隙内の可動子の推力Ｆは可動子と固定子から構成される系に蓄えられた電磁エネルギーから導かれる速度起電力を誘起せずに、励磁コイルの無効電力エネルギーを機械エネルギーとして取り出せるという効果がある。

本発明のＬＲＯＭＡは、図１に示されるように固定子の励磁コイルに対して空隙の磁気抵抗Ｚ１とＺ２が直列になるように可動子−固定子系を配置する。
図２に示されるよう空隙ａの長さをｌａ、空隙ｂの長さをｌｂとする。空隙ａの磁気抵抗がＺａで空隙の透磁率をμとし、空隙ｂの磁気抵抗がＺｂで空隙の透磁率をμとする。固定子の断面積と可動子の断面積を等しくＳｏとし、可動子の断面の中心を固定子の断面の中心軸上に配置して可動子を固定子断面の中心軸に沿って往復運動させる。
図３に示されるように永久磁石の磁極と磁気回路の磁極との間の吸引力と反発力が可動子に対して同方向に働くように、永久磁石の同極同士《たとえばＳ極同士》を接合し、可動子の断面の磁極を同極（たとえばＮ極）にする。
次に動作について説明する。まず固定子の励磁コイルに流れる電源電流により磁気回路には磁束が生じる。可動子の両端の磁極は同一方向に推力を受ける。可動子の移動距離をｘとする。
ここで可動子の左空隙ｌａと右空隙ｌｂの磁気抵抗はそれぞれＺａ＝ｌａ／（μＳｏ），Ｚｂ＝ｌｂ／（μＳｏ）であるから、直列磁気回路の磁気抵抗はＺ＝Ｚａ＋Ｚｂ＝［ｌａ＋ｌｂ］／（μＳｏ）である。ここで磁気回路の左空隙と右空隙の長さの和［ｌａ＋ｌｂ］は可動子の移動距離ｘが変わっても不変であるから磁気抵抗Ｚのｘ微分はゼロ、すなわち磁気回路のパーミアンスｐ＝１／Ｚのｘ微分もゼロである。
つまり直列磁気回路では可動子が平衡位置からｘだけ移動しても系のパーミアンスのｘ微分ｄｐ／ｄｘがゼロとなる。したがって可動子を変位させるための推力は系に蓄えられた電磁エネルギーのポテンシャル力ではなく、励磁コイルに流れる交流電流の時間的な変化に起因する磁束の時間的変化である。つまり固定子の励磁コイルを流れる無効電流の時間変化にともなう磁束の時間変化により固定子の両端に発生した磁極と可動子の永久磁石の磁極とのクーロン力が可動子の往復運動の駆動力となる。
さらに可動子に負荷を結合することにより可動部分の固有振動数と電源周波数を共鳴させて可動部分の振動を増幅させる。
また励磁回路に供給する電源電流を最小限に抑えるためにインダクタンスとコンデンサーの並列共振回路を構成する。

上述の発明のＬＲＯＭＡは、往復運動を行う振動型発電機と組み合わせて電力発生装置として利用するのが最も理想的である。

ＬＲＯＭＡの等価回路 固定子の断面と可動子の断面 可動子の構造 ＬＲＯＭＡの平面図 ＬＲＯＭＡの側面図

符号の説明

〔図２〕 固定子の断面積と可動子の断面積を等しくＳｏとし、可動子の断面の中心を固定子の断面の中心軸上に配置して可動子を固定子断面の中心軸に沿って往復運動させる。

Claims (2)

1. 固定子と可動子を直列磁気回路に組み込むことにより速度起電力の発生機構を抑制して可動子を往復運動させる方法
2. 駆動される負荷を含めた可動部の固有振動数を電源周波数と一致させた共鳴振動過程を利用して可動部の往復運動を増幅する方法

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