JP2009195103A - 力脈動補償機能を備えたリニア電気機械の１次側部分およびリニア電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】磁界発生のための複数の能動的手段を有する１次側部分を備えたリニア電気機械を低減された能動的力脈動および受動的力脈動、即ちコギング力を有するようにする。
【解決手段】リニア電気機械１０の１次側部分２が第１の磁界を発生するための第１の手段を有し、１次側部分２が第２の磁界を発生するための第２の手段を有し、第１の手段および第２の手段が、第１の磁界と第２の磁界との重畳を可能にするように配置され、１次側部分２が２次側部分３と共に配置され、１次側部分２および２次側部分３が第１の空隙δ1によって互いに隔てられ、第２の磁界を発生するための第２の手段が永久磁石材料６として構成されている。１次側部分２の一方および／または両方の端面に力脈動低減のための磁束案内要素が配置され、力脈動低減のための磁束案内要素が、磁界を発生するための第２の手段を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、１次側部分が第１の磁界を発生するための第１の手段と第２の磁界を発生するための第２の手段とを有し、第１の手段および第２の手段が第１の磁界と第２の磁界との重畳を可能にするように配置されているリニア電気機械の１次側部分に関する。更に本発明は、この種の１次側部分を有するリニア電気機械に関する。

リニア電気機械は１次側部分および２次側部分を有し、１次側部分および２次側部分は向かい合って、空隙によって互いに隔てられている。１次側部分は電流を流すために設けられている。

１次側部分も２次側部分も磁界発生のための能動的手段を持つことができる。このような場合に、例えば１次側部分は電流を流し得る巻線を有し、２次側部分は永久磁石を有する。

そのほかに更に、１次側部分が磁界発生のための複数の能動的手段を有し、２次側部分がこの種の手段を持たないという可能性が存在する。

１次側部分が電気機械の全ての磁気源を有する電気機械は公知である（例えば、特許文献１参照）。１次側部分は、例えば電流を流し得る巻線および永久磁石を有するが、２次側部分は単に、例えば歯の付いた鉄リアクションレールとして構成されている。

回転動作をする電気機械と違って、リニア電気機械は必然的に機械の電磁部分が終端する端部を有する。例えばリニアモータが短い固定子構造様式にて実施される場合に、すなわち１次側部分が長い２次側部分に比べて短い構成部分として構成されている場合に、１次側部分については、２次側部分の影響範囲にある２つの端部が生じる。１次側部分の端部が２次側部分と相互作用をし、このことが能動的な力脈動およびコギング力とも呼ばれる受動的な力脈動に決定的な影響を及ぼす。

１次側部分と２次側部分との間の磁気的な相互作用に基づいて発生する寄生のコギング力は受動的な力脈動と呼ばれる。その結果は、振動、騒音走行、加工プロセス時の追従誤差となる。

更に、１次側部分の端面の始端コイルおよび終端コイルにおける誘起電圧、すなわち起電力（ＥＭＦ）は、不十分な磁気帰路に基づいて、一般に中間部のコイル群におけるよりも小さく現れる。これは、電気機械が対称的に誘起される電圧を持たず、力損失のほかに能動的な力脈動とも呼ばれる付加的な電流依存性の力脈動が生じるという結果をもたらす。

力脈動補償を備えたリニアモータは公知である（例えば、特許文献２）。上記の力脈動補償を成し遂げるために、この公知技術では、リニアモータの１次側部分の端面に、それぞれ１つの予め与えられた幅を持った力脈動補償歯を形成することが提案されており、しかも力脈動補償歯が、付加的な空隙によって通常の空隙から隔てられていて、かつ隣接する歯に対して、その他の歯の間隔とは異なる間隔を有する。
独国特許出願公開第１０２００４０４５９９２号明細書 独国特許出願公開第１０２００５００４３８０号明細書

本発明の課題は、磁界発生のための複数の能動的手段を有する１次側部分ならびにこの種の１次側部分を備えたリニア電気機械を、能動的力脈動および受動的力脈動、すなわちコギング力を低減するように更に進歩させることにある。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。有利な発展的構成は従属の請求項から得られる。

１次側部分が第１の磁界を発生するための第１の手段と第２の磁界を発生するための第２の手段とを有し、この第１の手段および第２の手段が第１の磁界と第２の磁界との重畳を可能にするように配置されている。この１次側部分は２次側部分と共に配置するために設けられていて、第１の手段および第２の手段が第１の空隙によって互いに隔てられている。

本発明によれば、１次側部分が端面の一方または両方に力脈動低減のための磁束案内要素を有する。とりわけ、１次側部分の両端面のそれぞれに力脈動低減のための磁束案内要素が配置されている。

この磁束案内要素は、磁界発生のための手段を有し、該手段が１次側部分の磁界発生のための第１の手段または第２の手段に相当するように構成されている。

この磁束案内要素を取り付けることによって、能動的力脈動および特に受動的力脈動、すなわちコギング力の低減が可能である。１次側部分において巻線を担持する終端歯における誘起電圧が引き上げられるが、この場合の目標は１次側部分の巻線のできるだけ同一波形の起電力（ＥＭＫ）にある。

第１の磁界を発生するための第１の手段は、単相または多相の巻線として構成されていることが好ましい。とりわけ、１次側部分が３相交流電源に接続するための歯コイルの形の３相巻線を有する。第２の磁界を発生するための第２の手段が永久磁石として、とりわけ１つまたは複数の部分からなる永久磁石として構成されている。

本発明の有利な実施形態においては、１次側部分が予め与え得る数の歯モジュールにより構成可能であり、各歯モジュールが少なくとも１つの永久磁石と１つの歯コイルとを有する。個々の歯モジュールにより、１次側部分を所望の構造様式および長さに応じてモジュール的に構成することが可能である。所望の数の歯モジュールが相応に、例えば締め付けによりつなぎ合わされる。各歯モジュールは、１次側部分における渦電流低減のための積層鉄心として特に電磁鋼板により構成されている。

力脈動低減のための磁束案内要素が終端歯モジュールとして構成されていて、かつ少なくとも１つの永久磁石を有する。終端歯モジュールは、構造において１次側部分のその他の歯モジュールとほとんど同じであるが、この終端歯モジュールは、巻線を担持しないこと、すなわち歯コイルを持たないことによって異なる。

本発明は、１次側部分の両端における２つの歯モジュール、すなわち終端歯モジュールを付加することによって課題を解決する。これらの終端歯モジュールは能動的な１次側部分範囲の続きとして両端に配置されている。

本発明の第１の形態においては、力脈動低減のための磁束案内要素が、第１の空隙に加えて第２の空隙によって２次側部分から隔てられている。したがって、この２次側部分と磁束案内要素との間には、１次側部分と２次側部分との間におけるよりも大きい空隙、すなわち間隔が存在する。

２次側部分と磁束案内要素との間に、残りの１次側部分と２次側部分との間におけるよりも大きな空隙、すなわち間隔が存在することによって、終端歯モジュールの永久磁石は相応に異なって構成されていて、特にそれは小さい体積を有する。

１次側部分の複数の歯モジュールは互いに第１の歯ピッチを有する。力脈動補償のための他の形態では、終端歯モジュールは予め与え得る第２の歯ピッチによって歯モジュールから隔てられていて、第２の歯ピッチが第１の歯ピッチとは等しくない。しかしながら、第２の歯ピッチが第１の歯ピッチよりも大きく構成されていることが好ましい。これは、１次側部分が２つの異なる歯ピッチを有することを意味する。終端歯モジュールが、隣接する歯モジュールに対して、残りの複数の歯モジュールが互いに有するのとは異なった間隔を有する。

とりわけコギング力の補償のための他の可能性は、その他の歯モジュールの幾何学的形状とは異なる終端歯モジュールの幾何学的形状にある。とりわけ、終端歯モジュールの空隙に向けられた面および／またはエッジが予め与え得る半径で丸みを付けられている。

力脈動、特にコギング力の効果的な低減のために、本発明によれば、次の選択肢が与えられていて、各選択肢は個別にまたは選択肢の互いの組み合わせにて実現可能である。
ａ）磁束案内要素が、１次側部分と２次側部分との間に通常の空隙δ₁に加えて空隙δ₂を有する。空隙δ₂は、
０≦δ₂≦５δ₁
なる関係が当てはまるように選ばれることが好ましい。
ｂ）磁束案内要素が、１次側部分の歯ピッチτ₁に対して変更された歯ピッチτ₂を有する。変更されたτ₂に関しては、
０．６τ₁≦τ₂≦２τ₁
が当てはまることが好ましい。
ｃ）磁束案内要素が、幾何学的形状において変更されて構成されている。

上述のパラメータの最適調整によってコギング力の約２〜３倍の低減が達成される。

本発明は、特に、１次側部分における永久磁石励磁と、歯付の鉄構造形式の受動的２次側部分とを有する多相のリニアモータに関係する。全てのリニアモータもしくはリニア電気機械におけるように、１次側部分の両端部における電磁的不連続性によって、モータ運転を妨害するコギング力が発生する。

本発明によればリニア電気機械は、本発明による１次側部分と、磁界発生のための手段を持たない２次側部分とを有する。２次側部分は、複数の歯およびスロットを有する歯付の鉄リアクション部分として構成されている。２次側部分は、好ましくは、渦電流を回避するために積層されて、すなわち複数の個別の電磁鋼板により構成されている。しかしながら代替として、２次側部分は塊状の歯付の鉄リアクションレールとして構成されていてもよい。このリニア電気機械は、とりわけリニアモータとして構成されている。

リニア電気機械のこの種の構造は、電気機械の２次側部分が磁界発生のための能動的手段を持たないという利点を有する。２次側部分は磁界案内のための手段だけを有し、したがって簡単に低コストにて製作することができる。

磁束案内要素によるコギング力の低減によっていろいろの利点がもたらされる。
ａ）例えば、より良好な同期性、より高い定格力、より高い電気機械、そして遮断されたモータのコギング力による「逆方向移動」のないことなどのような運転時のリニア電気機械、特にリニアモータの改善された特性、
ｂ）例えば、リニアモータの低減された電磁非対称性（端効果）による正確な磁極位置認識のような駆動システム（例えば、シーメンス社のＳＩＮＡＭＩＣＳ駆動システム）における改善された特性。

以下の記載において、添付図面を参照しながら実施例に基づいて本発明の他の特徴および詳細を更に詳細に説明する。個々の代替案において記載する特徴および関係は基本的に全ての実施例に転用可能である。図面において、図１は従来技術によるリニア電気機械を示し、図２は本発明による第１の形態でのリニア電気機械を示し、図３は本発明による第２の形態でのリニア電気機械を示し、図４は異なるリニア電気機械におけるコギング力経過図を示す。

図１は、力脈動低減のための磁束案内要素のない従来技術によるリニア電気機械１を示す。リニア電気機械１は１次側部分２および２次側部分３を含む。１次側部分２は複数の歯モジュール４により構成されている。図１によれば１次側部分が６つの歯モジュール４から構成されていて、各歯モジュール４は積層鉄心５により実現されている。

１次側部分２および２次側部分３は第１の空隙δ₁によって互いに隔てられている。

各歯モジュール４は永久磁石６を有し、この永久磁石６は歯モジュール４内に組み込まれている。しかしながら、永久磁石６は、例えば歯モジュール４の外側において、歯モジュール４の１次側部分２の空隙δ₁に向けられた側に配置されていてもよい。

更に、各歯モジュール４は歯コイル７を有し、６つの歯コイルが１次側部分２の巻線を構成する。巻線は相ｕ，ｖ，ｗを有する３相に構成されているので、各相ｕ，ｖ，ｗに対して２つの歯コイル７が割り当てられている。歯コイル７は１次側部分２の積層鉄心５のスロット９内にある。

図２は、本発明による第１形態のリニア電気機械１０を示す。１次側部分２は６つの歯モジュール４のほかに付加的な２つの終端歯モジュール１１を有し、この例では１次側部分２の両端面にそれぞれ１つの終端歯モジュール１１が配置されている。

各終端歯モジュール１１は、２次側部分３に対して、第１の空隙δ₁に加えて第２の空隙δ₂によって隔てられているので、２次側部分３と終端モジュール１１との間にはその他の１次側部分２と２次側部分３との間におけるよりも拡張された空隙δ₁＋δ₂が存在する。

終端歯モジュール１１と２次側部分３との間におけるより大きな空隙δ₁＋δ₂に基づいて、終端歯モジュール１１の永久磁石１２が相応に小さく、すなわち短く形成されている。終端歯モジュール１１は歯コイルを持たない。更に、歯モジュール４および終端歯モジュール１１は構造的にほとんど同様に構成されている。

終端歯モジュール１１は、歯モジュール４に対して、互いに異なった、とりわけ歯モジュール４よりも拡張された歯ピッチτ₂を有する。第１の磁極ピッチτ₁は１次側部分２の重要な歯ピッチであるが、しかし終端歯モジュール１１は隣接の歯モジュール４に対して異なった間隔τ₂を有する。すなわち、ここでは終端歯モジュール１１にあって歯モジュール４側の積層鉄心５が歯モジュール４の積層鉄心５よりも図示のように幅広に形成されている。しかも、終端歯モジュール１１の歯モジュール４側の積層鉄心５によるスロット９は、他のスロット９より幅広に切り欠かれている。

図３は本発明による第２形態のリニア電気機械２０を示す。１次側部分２は６つの歯モジュール４のほかに付加的な２つの終端歯モジュール１１を有し、１次側部分の端面にそれぞれ１つの終端歯モジュール１１が配置されている。

このリニア電気機械２０は図２による実施形態とほとんど同じであるが、しかし各終端歯モジュール１１は僅かに変更された幾何学的形状を有する。とりわけ終端歯モジュール１１は丸みを付けられたエッジ１３を有する。すなわち、積層鉄心５の２次側に面した部分でスロット９との境界部分は、図２のような突出した（スロット開口が窄まった）例とは異なり丸みをつけた構造に形成されている。なお、積層鉄心５の２次側に面した部分全体に丸みをつけるように形成してもよい。

図４は異なるリニア電気機械のコギング力経過図を示す。符号１４により、図１による電気機械１、すなわち力脈動低減のための磁束案内要素のない機械のコギング力の振幅が示されている。これに対して、符号１５により、終端歯モジュール１１を備えた図２による電気機械１０のコギング力の振幅が示されている。図４においては、コギング力の低減のための相応の要素が配置されている場合に僅かなコギング力しか発生しないことが容易に認識できる。

従来技術によるリニア電気機械を示す断面図 本発明による第１の形態でのリニア電気機械を示す断面図 本発明による第２の形態でのリニア電気機械を示す断面図 異なるリニア電気機械におけるコギング力経過を示すダイアグラム

２ １次側部分
３ ２次側部分
４ 歯モジュール
５ 積層鉄心
６ 永久磁石
７ 歯コイル
９ スロット
１０、２０ リニア電気機械
１１ 終端歯モジュール
１２ 永久磁石
１３ エッジ
１４ リニア電気機械１の特性曲線
１５ リニア電気機械１０の特性曲線
２０ リニア電気機械

Claims (11)

1. リニア電気機械の１次側部分（２）であって、
   １次側部分（２）が第１の磁界を発生するための第１の手段を有し、
   １次側部分（２）が第２の磁界を発生するための第２の手段を有し、
   前記第１の手段および第２の手段が、第１の磁界と第２の磁界との重畳を可能にするように配置され、
   前記１次側部分（２）が２次側部分（３）と共に配置され、１次側部分（２）および２次側部分（３）が第１の空隙（δ₁）によって互いに隔てられ、前記第２の磁界を発生するための第２の手段が永久磁石材料として構成されているリニア電気機械（１０，２０）の１次側部分（２）において、
   前記１次側部分（２）の一方および／または両方の端面に力脈動低減のための磁束案内要素が配置され、
   力脈動低減のための前記磁束案内要素が、磁界を発生するための第２の手段を有するリニア電気機械の１次側部分。
2. 前記第１の磁界を発生するための第１の手段が単相または多相の巻線として構成されていることを特徴とする請求項１記載の１次側部分。
3. 前記１次側部分（２）が予め与え得る数の歯モジュール（４）により構成可能であり、各歯モジュール（４）が少なくとも１つの永久磁石（６）と１つの歯コイル（７）とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の１次側部分。
4. 前記力脈動低減のための磁束案内要素が終端歯モジュール（１１）として構成されていて、かつ少なくとも１つの永久磁石（１２）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の１次側部分。
5. 前記力脈動低減のための磁束案内要素が、第１の空隙（δ₁）に加えて第２の空隙（δ₂）によって２次側部分（３）から隔てられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の１次側部分。
6. 複数の歯モジュール（４）が互いに第１の歯ピッチ（τ₁）を有し、終端歯モジュール（１１）が予め与え得る第２の歯ピッチ（τ₂）によって歯モジュール（４）から隔てられていて、τ₁≠τ₂、とりわけτ₁＜τ₂であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１つに記載の１次側部分。
7. 終端歯モジュール（１１）が歯モジュール（４）に対して異なる幾何学的形状を有することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１つに記載の１次側部分。
8. 終端歯モジュール（１１）の空隙（δ₁，δ₂）に向けられた面および／またはエッジが予め与え得る半径で丸みを付けられていることを特徴とする請求項７記載の１次側部分。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つの請求項に記載されている１次側部分（２）と、磁界発生のための手段を持たない２次側部分（３）とを備えたリニア電気機械。
10. ２次側部分（３）が複数の歯およびスロットを備えた鉄構造を有することを特徴とする請求項９記載のリニア電気機械。
11. 前記リニア電気機械（１０，２０）が同期リニアモータとして構成されていることを特徴とする請求項９又は１０記載のリニア電気機械。

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