JP2009195104A6 - 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、これらが低減された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有するように更に発展させる。
【解決手段】リニア電気機械（１０，２０）の１次側部分（２）に関する。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。更に、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ている。
【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）。この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）。リニアモータにおける力脈動補償を達成するために、この公知のリニアモータは予め与えられた幅を有する力脈動補償歯が取り付けられ、この力脈動補償歯は通常の空隙（ギャップ）よりも大きい空隙によって隔てられており、その他の歯において相互に有している間隔とは異なった間隔を有する。
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発展させることにある。

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。

そして、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。好ましくは、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次側部分の巻線をできるだけ同一波形の起電力（ＥＭＦ）とすることにある。

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、この１次側部分は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。所望の個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。

１次側部分の端面における力脈動低減のための磁束案内要素は、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。この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のみ異なる。

本発明は、１次側部分の両端に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、１次側部分の巻線もしくはコイルを担持する歯モジュールと同じ基本的な幾何学構造を有し、かつ能動的な１次側部分範囲の続きとして両端に配置されている。

とりわけコギング力の補償のために、終端歯モジュールにおける永久磁石材料もしくは永久磁石の構造や組み立て状態および／または磁気特性が決定的に重要である。

力脈動補償のための第１の実施形態では、１次側部分の複数の永久磁石が予め与え得る磁気特性もしくは磁界強度を有し、その際に歯モジュールの永久磁石および終端歯モジュールの永久磁石が等しい磁気特性を有する。しかしながら、終端歯モジュールは歯モジュールに比べて小さい体積を有する。このことは、終端歯モジュールにおける永久磁石がより小さく構成されていること、もしくはより少ない永久磁石材料が終端歯モジュールに配置されていることを意味する。例えば、終端歯モジュールにおける永久磁石が、歯モジュールにおける永久磁石に比べて、係数２〜４だけ小さくされていて、それによってコギング力の最適な低減が達成可能である。終端歯モジュールにおける永久磁石の低減程度は、とりわけリニアモータの軌道幅に依存する。

力脈動補償のための第２の実施形態では、１次側部分の複数の永久磁石が予め与え得る磁気特性を有し、その際に歯モジュールの永久磁石が、終端歯モジュールにおける永久磁石に比べて高い磁気特性を有する。このことは、歯モジュールおよび終端歯モジュールにおける永久磁石が等しい幾何学的寸法もしくは等しい体積を有するが、しかし磁気特性において異なること、すなわち終端歯モジュールには歯モジュールとは異なる磁石材料が設けられていることを意味する。使用される公知の磁石材料は、例えばネオジム−鉄−ホウ素−磁石、サマリウム−コバルト−磁石またはフェライト磁石である。これらの異なる磁石材料は、例えば残留磁束密度または保磁力のような磁気特性値によって特徴づけられている異なる磁気特性を有する。例えば、約２５％に低減された残留磁束密度が、部分変更された終端歯モジュールを持たない機械のコギング力に比べて、係数４〜６だけ低減された電気機械のコギング力をもたらす。

本発明は、とりわけ１次側部分における永久磁石励磁と、例えば歯付の鉄構造の形状の受動的な２次側部分とを備えた多相のリニアモータに関する。全てのリニアモータもしくはリニア電気機械におけると同様に、１次側部分の端部における電磁的な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。

本発明によるリニア電気機械は、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持った歯付の鉄リアクション部分として構成されていることが好ましい。２次側部分は、渦電流を回避するために積層されていること、すなわち複数の個別の電磁鋼板により積層されていることが好ましい。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、とりわけ同期リニアモータとして構成されている。

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。

その他の歯モジュールに比べて変更された永久磁石材料を有する終端歯モジュール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、より高い駆動動特性、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、リニアモータの電磁非対称性（端効果）の低減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は本発明による第３の形態でのリニア電気機械を示し、図５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２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。

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、この永久磁石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δに向けられた側に配置されていてもよい。永久磁石６は、例えば残留磁束密度Ｂ_R＝１．２Ｔを有する。

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により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。そして、各終端歯モジュール１１は、永久磁石６に対してその長さが変更された永久磁石１２を有するが、しかし歯コイルは持っていない。全ての永久磁石６および１２が同じ磁石材料から構成されていて、例えば残留磁束密度Ｂ_R＝１．２Ｔを有する。しかしながら、永久磁石１２は、コギング力の最適な低減を達成するために、永久磁石６に対して小さい体積を有し、すなわち永久磁石１２は短く構成されている。具体的なリニアモータ設計においては、永久磁石１２の高さを永久磁石６の通常の高さの約４０％に低減することによって、モータコギング力を極めて顕著に（例えば、係数５だけ）低減することができる。永久磁石１２は、それぞれの終端歯モジュール１１の下縁と、その他の歯モジュール４における永久磁石６の下縁と同様に、同一平面上に配置されている。全ての永久磁石６および１２は空隙δに対して等しい間隔を有する。

歯モジュール４および終端歯モジュール１１はその他の点では構造的に等しく構成されている。終端歯モジュール１１は歯モジュール４に対して歯モジュール４相互と同じスロットピッチτ_zを有する。なおこの実施形態では、終端歯モジュールの磁界を発生するための手段として永久磁石１２を例示しているが、永久磁石１２の代わりに相応の巻線を設けてもよい。

図３は、本発明による第２形態のリニア電気機械１０を示す。電気機械１０は構造においてほとんど図２による電気機械１０と同じである。永久磁石６および１２は同じ磁石材料から構成されているが、しかし終端歯モジュール１１における永久磁石１２はより小さい体積を有し、すなわち図３に示す永久磁石１２は図２のそれより小さく構成されている。

しかしながら、図２による表示に対して、図３に示す永久磁石１２は終端歯モジュール１１の下縁と同一平面上ではなくて、ずらされて配置されている。この永久磁石１２は終端歯モジュール１１の中へ引っ込められている。永久磁石１２は上に向けてずらされて、すなわち空隙δから離れる方向にずらされて配置されている。

永久磁石１２はその高さｈ_PMを有し、高さｈ₀だけずらされている。特に、ｈ₀に、
０≦ｈ₀≦１０δ
が当てはまり、それによって力脈動補償作用の微調整を達成することができる。したがって、リニアモータの種々のサイズに対して、またはリニアモータの種々の軌道幅に対しても、同じ幾何学的寸法、特に同じ高さｈ_PMを有する永久磁石１２を使用することができ、高さｈ₀をその都度適合化させることによって力脈動補償作用を適切に調整することができる。

図４は、本発明による第３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を有する。それぞれ１次側部分２の端面に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、永久磁石６に対して変更された永久磁石１３を有するが、しかし歯コイルを持っていない。永久磁石６および１３は同じ幾何学的寸法を有するが、しかし異なる磁気特性を有する。例えば、永久磁石６が残留磁束密度Ｂ_R＝１．２Ｔを有するのに対して、永久磁石１３が残留磁束密度Ｂ_R＝０．３Ｔを有する。このような２５％に低減された残留磁束密度Ｂ_Rは、図１による終端歯モジュールを持たない機械１のコギング力に比べて、係数４〜６だけ低減されたリニア電気機械２０のコギング力をもたらす。

図５は異なるリニア電気機械のコギング力の経過図を示す。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５においては、コギング力の低減のための適切な要素が配置されている場合には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 本発明による第３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 リニア電気機械
１１ 終端歯モジュール
１２ 永久磁石
１３ 永久磁石
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. 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リニア電気機械（１０，２０）の１次側部分（２）において、
   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、この磁束案内要素が終端歯モジュール（１１）として構成され、この終端歯モジュールには少なくとも１つの磁界を発生するための手段を有するリニア電気機械の１次側部分。
2. 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記載のリニア電気機械の１次側部分。
3. 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ことを特徴とする請求項１又は２記載のリニア電気機械の１次側部分。
4. 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１の手段または第２の手段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つに記載のリニア電気機械の１次側部分。
5. １次側部分（２）が予め与え得る個数の歯モジュール（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乃至４のいずれか１つに記載のリニア電気機械の１次側部分。
6. １次側部分（２）の永久磁石（６，１２）が予め与え得る磁気特性、とりわけ残留磁束密度を有し、歯モジュール（４）および終端歯モジュール（１１）の永久磁石（１２，１３）が等しい磁気特性を有することを特徴とする請求項５記載のリニア電気機械の１次側部分。
7. 終端歯モジュール（１１）が歯モジュール（４）に比べて小さい体積を持つ永久磁石（１２）を有することを特徴とする請求項６記載のリニア電気機械の１次側部分。
8. １次側部分（２）の永久磁石（６，１３）は予め与え得る磁気特性、とりわけ残留磁束密度を有し、歯モジュール（４）の永久磁石（６）は、終端歯モジュール（１１）における永久磁石（１３）に比べて高い磁気特性を有することを特徴とする請求項５記載のリニア電気機械の１次側部分。
9. 請求項１乃至８のいずれか１つにしたがって構成されている１次側部分（２）と、磁界を発生するための手段のない２次側部分（３）とを有するリニア電気機械。
10. ２次側部分（３）が複数の歯およびスロットを持った歯付の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. 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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