JP2016073078A - リニアモータドライブシステム - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータドライブシステムにおいて、ドライブ停止時に対応する冗長性を持たせたシステムを提供する。【解決手段】磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能なリニアモータにおいて、前記可動子を少なくとも２つ以上有し、かつ、前記電機子を少なくと一相以上相対的に移動し、前記電機子は一相毎に閉磁気回路を有し、かつ、少なくとも２つ以上の巻線グループを有し、前記２つ以上の巻線グループにはそれぞれ別個のドライブ装置に接続されるリニアモータドライブシステム。【選択図】 図２

Description

本発明は、リニアモータドライブシステムに関する。

リニアモータを１個のサーボドライブで駆動するリニアモータドライブシステムを構築した場合、前記サーボドライブが故障等で停止すると、前記リニアモータを駆動することができなくなり、外力が発生したりするとリニアモータの可動子が移動してしまう可能性が高い。これに対して、リニアモータに２個のサーボドライブを接続して、冗長性を持たせたリニアモータドライブシステムの例が（特許文献１）に記載されている。この（特許文献１）には、磁石列で構成するリニアモータ可動子に対し、独立した２個の電機子群の固定子を設け、前記電機子群毎に個別のサーボドライブを接続し、モータ制御する構成が示されている。

この（特許文献１）の構成においては、２個のサーボドライブの内１個のサーボドライブが停止した場合、残りのサーボドライブと前記残存サーボドライブに接続した電機子群を用いて、リニアモータを駆動することが可能である。

特開２０５５−２９５６７８号公報

しかしながら、〔特許文献１〕に記載のリニアモータシステムにおいては、２個のサーボドライブの内１個のサーボドライブが停止した場合、電機子に発生する磁束が作用する可動子の磁石数は半減することになり、推力は半減することになる。残サーボドライブのみで、推力を２個サーボドライブ動作時と同じレベルまでに維持するためには、残サーボドライブで２個サーボドライブ動作時と同等の磁束を発生する電流を電機子に通電する必要があり、電機子が磁気的に飽和しやすい場合は２倍以上の電流容量が必要となることがあり、サーボドライブが高コスト化する。

本発明の目的は、複数のサーボドライブうち少なくとも１個のサーボドライブが停止しても、リニアモータの推力を半減しない、冗長性の高いリニアモータドライブシステムを提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明は磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能なリニアモータドライブシステムにおいて、前記可動子を少なくとも２つ以上有し、かつ、前記電機子を少なくとも１相以上相対的に移動し、前記電機子は、一相毎に閉磁気回路を有し、かつ、少なくとも２つ以上の巻線グループを有し、前記２つ以上の巻線グループはそれぞれ別個のドライブ装置に接続されることを特徴とするものである。

また、上記課題を達成するために、本発明はリニアモータドライブシステムにおいて、前記リニアモータは３相モータであり、前記ドライブ装置は位置制御系あるいは速度制御系、又は電流制御系を備えるとともに、可変電圧出力機能を有する３相サーボドライブであることを特徴とするものである。

更に、本発明はリニアモータドライブシステムにおいて、前記２つ以上の巻線グループに接続されたドライブ装置は前記２つ以上の可動子を同期駆動するとともに、前記ドライブ装置の内少なくとも１つのドライブ装置を用いて前記２つ以上の可動子を駆動することを特徴とするものである。

更に、本発明はリニアモータドライブシステムにおいて、前記２つ以上の巻線グループは、前記２以上の可動子の内１つの可動子を挟み込む巻線を１グループ構成にしたことを特徴とするものである。

更に、本発明はリニアモータドライブシステムにおいて、前記電機子における内部鉄心の厚みを、前記電機子の外部鉄心の厚みより小さくすることを特徴とするものである。

本発明によれば、複数のサーボドライブの内１個のサーボドライブが停止した場合、残存のサーボドライブで電流を供給する巻線が発生させる磁束が、停止サーボドライブが接続された巻線にある磁極歯にも発生することから、磁束が作用する磁石数が変わりなく、推力減少を抑制することが可能な冗長性の高いリニアモータドライブシステムを提供することができる。

実施例１におけるリニアモータ構成図 実施例１におけるリニアモータドライブシステム構成図 実施例１における電機子の断面構成図 実施例１における磁束経路説明図 実施例１における磁束経路説明図

以下、実施例について図面を用いて説明する。

以下第１の実施例におけるリニアモータドライブシステム構成を図１、図２、図３を用いて説明する。

図１は、本実施例におけるリニアモータ１００の斜視図である。図２は、図１のリニアモータのＹＺ面の断面図を示すとともに、本実施例におけるリニアモータドライブシステム３００の構成を示している。図３は、図１のリニアモータのＸＹ平面の断面図を示している。

図１〜図３に示すように、本実施例のリニアモータドライブシステムにおけるリニアモータ１００は、３相モータを構築した例であり、３つの電機子１０２u、１０２ｖ、１０２ｗからなる電機子群２００と、２つの可動子２０２a、２０２ｂと２つの連結部材１３０からなる可動部２１０から構成されている。前記可動部２１０が直線運動するリニアモータであり、前記可動部２１０の駆動方向はZ方向である。３つの電機子１０２u、１０２ｖ、１０２ｗは電気角位相が各１２０°ずれるように電機子ピッチＬの間隔で配置し、３相モータ用サーボドライブで駆動できる構成にしている。本実施例は３相モータを例にしているが、ｍ個の電機子において、位相を３６０°／ｍずらすことで、ｍ相駆動のリニアモータを構成することも可能である。

本実施例の電機子の構成について説明する。電機子１０２ｕ、１０２ｖ、１０３ｗは、ほぼ同じ構成であり、サーボドライブと接続する相および電気位相が異なるのみなので、電機子１０２ｕを例に説明する。図３は、前記リニアモータ１００を電機子１０２ｕのＸＹ平面での断面図である。

図１〜図３において、電機子１０２ｕは、空隙１２２を挟んで対向する第１の磁極歯１１４ｕおよび第２の磁極歯１１６ｕと、空隙１２４を挟んで対向する第３の磁極歯１１８ｕおよび第４の磁極歯１２０ｕと、前記磁極歯１１４ｕと磁極歯１２０ｕをつなぐ電機子外部鉄心１１０ｕと、前記磁極歯１１６ｕと磁極歯１１８ｕをつなぐ電機子内部鉄心１１２ｕと、前記磁極１１４ｕと磁極歯１１６ｕに配置する巻線１０４ｕａと、前記磁極歯１１８ｕと磁極歯１２０ｕに配置する巻線１０４ｕｂから構成される。

前記巻線１０４ｕａと巻線１０４ｕｂは別個の巻線グループを構成していることが本実施例の特徴のひとつであり、巻線１０４ｕａはサーボドライブ４００ａのＵ相出力と接続する構成であり、一方前記巻線１０４ｕｂは前記サーボドライブ４００ａとは別個に設置するサーボドライブ４００ｂと接続する構成である。

前記電機子１０２ｖと電機子１０２ｗの構成は前記電機子１０２ｕと同様であり、相記号のｕをｖおよびｗに変換することで構成を説明できる。

次に本実施例における前記可動部２１０について説明する。可動部２１０構成する可動子２０２aおよび可動子２０２ｂは、磁石１０を磁石ピッチPで並べた磁石列で構成されており、可動子表面上に発生する磁石磁極をNSが交互になるように並べている。前記可動子２０２ａは、前記空隙１２２つまり前記電機子１０２ｕにおける前記磁極歯１１４ｕと磁極歯１１６ｕ間、および前記電機子１０２ｖにおける前記磁極歯１１４ｖと磁極歯１１６ｖ間、および前記電機子１０２ｗにおける前記磁極歯１１４ｗと磁極歯１１６ｗ間に挿入される。

同じく前記可動子２０２ｂは、前記空隙１２４つまり前記電機子１０２ｕにおける前記磁極歯１１８ｕと磁極歯１２０ｕ間、および前記電機子１０２ｖにおける前記磁極歯１１８ｖと磁極歯１２０ｖ間、および前記電機子１０２ｗにおける前記磁極歯１１８ｗと磁極歯１２０ｗ間に挿入される。リニアモータの電機子ピッチＬと磁石ピッチＰの関係は、一般にＰ＝３Ｌ／２であるが、他の関係式をもつリニアモータであってもかまわない。

次に本実施例におけるリニアモータとサーボドライブの接続構成について説明する。サーボドライブ４００ａにおけるＵ相出力は、前記電機子１０２ｕにおける前記巻線１０４ｕａと接続し、前記サーボドライブ４００ａにおけるＶ相出力は、前記電機子１０２ｖにおける前記巻線１０４ｖａと接続し、前記サーボドライブ４００ａにおけるＷ相出力は、前記電機子１０２ｗにおける前記巻線１０４ｗａと接続する構成である。

サーボドライブ４００ｂにおけるＵ相出力は、前記電機子１０２ｕにおける前記巻線１０４ｕｂと接続し、前記サーボドライブ４００ｂにおけるＶ相出力は、前記電機子１０２ｖにおける前記巻線１０４ｖｂと接続し、前記サーボドライブ４００ｂにおけるＷ相出力は、前記電機子１０２ｗにおける前記巻線１０４ｗｂと接続する構成である。

前記リニアモータ１００には、前記可動部２１０の位置情報を検知するリニアスケールエンコーダヘッド２５０が設置されており、前記リニアスケールエンコーダヘッド２５０の出力が前記サーボドライブ４００ａおよび４００ｂに入力する構成である。前記サーボドライブ４００ａおよび４００ｂは前記リニアスケールエンコーダヘッド２５０の位置情報を元に、前記可動部２１０の電気角を演算し、内部制御に使用する。本実施例では、リニアスケールエンコーダヘッド１個を共通使用する例であるが、リニアスケールエンコーダヘッドを複数個設置して利用してもかまわない。

本実施例のサーボドライブは、位置制御系と速度制御系と電流制御系とインバータ回路等からなる可変電圧出力機能を個別にもつ３相サーボドライブを例としているが、位置制御系と速度制御系を同一としてインバータ回路を含む可変電圧出力機能のみを別個に設ける構成としてもかまわない。

前記電機子１０２ｕの磁気回路は、他の前記電機子１０２ｖ、１０２ｗの磁気回路とは独立しているため各電機子間に磁気的干渉が無い。一方、前記電機子１０２ｕにおいて、別個のサーボドライブ４００ａと４００ｂから電流が通電されるものの、磁気回路が１つの閉回路になっていることから、ひとつの磁気回路において２つのサーボドライブで磁束を制御できることが本実施例の特徴のひとつである。

次に、本実施例におけるリニアモータドライブシステム３００の動作と電機子における磁束経路について説明する。

サーボドライブ４００ａと４００ｂを同時に動作させる場合について説明する。前記リニアモータドライブシステム３００の構成において、前記サーボドライブ４００ａは、前記電機子群２００の巻線１０４ｕａ、と巻線１０４ｖａと巻線１０４ｗａに電流を供給し、同じく前記サーボトドライブ４００ｂは、前記電機子群２００の巻線１０４ｕｂ、と巻線１０４ｖｂと巻線１０４ｗｂに電流を供給し、モータを駆動するための磁束を発生させるため前記電機子１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗにそれぞれ電流を供給する。

本実施例の特徴のひとつである電機子巻線通電時の磁束経路について図４および図５を用いて説明する。図４は、前記電機子１０２ｕの巻線１０４ｕａと１０４ｕｂにそれぞれ同位相同振幅電流を通電したときの磁気経路を示したものである。図５は、前記電機子１０２ｕの巻線１０４ｕａには通電せず、巻線１０４ｕｂのみに図４と同レベルの電流を通電したときの磁気経路を示したものである。

図４において、前記巻線１０４ｕａおよび１０４ｕｂに同位相同振幅電流を通電したため、巻線１０４ｕａと１０４ｕｂの電流で発生する磁束は、前記電機子１０２ｕにおける中央では鉄心１１２ｕをＹ方向を通り、外部は鉄心１１０ｕを通る経路を形成する。従って、前記可動子２０２ａおよび可動子２０２ｂには同一の磁束が作用し、前記可動子２０２ａおよび可動子２０２ｂに推力を発生させることが可能である。

次に、前記巻線１０４ｕａに通電しない図５について説明する。前記巻線１０４ｕｂに通電した電流によって発生する磁束は、鉄心１１２ｕにおいて、Ｙ方向に磁束経路をとるとともに、Ｘ方向の磁束経路も発生する。巻線１０４ｕａと１０４ｕｂに同電流を通電したときの図４においては、前記鉄心１１２ｕにおいて、それぞれの巻線電流による磁束が逆方向であり相殺することから、前記鉄心１１２ｕにおけるＸ方向の磁束経路は消滅する。一方、前記巻線１０４ｕｂのみ通電する図５においては、鉄心１１２ｕのＸ方向の磁気抵抗がＹ方向の磁気抵抗より大きいことから、鉄心１１２ｕの磁気経路はＸ方向とＹ方向両方に形成される。前記Ｙ方向の磁束経路は前記空隙１２２を通過するので、前記可動子１０２ａに磁束を作用させることが可能であり、前記可動子２０２ａに推力を発生させることは可能である。前記鉄心１１２ｕにおけるＹ軸方向の磁束を大きくするためには、Ｙ方向の磁気抵抗をＸ方向の磁気抵抗よりできるだけ小さくすることが望ましい。例えば、鉄心１１２ｕの厚み１５０を鉄心１１０ｕの厚み１６０より小さくするのが望ましい。前記電機子２０２ｂに作用する磁束は変わりないことから、前記Ｘ方向の磁気抵抗を大きくすることで、両サーボドライブ駆動電流による磁束の半数より、片側のサーボドライブ駆動電流による磁束を大きくすることが可能になる。片側サーボドライブ電流での磁束が両サーボドライブ通電時の磁束より半減しないことで、片側サーボドライブ駆動におけるシステム効率を向上させることが可能となる。

上記まで説明した本実施例のリニアモータドライブシステムの構成により、前記サーボドライブ４００ａを停止させたときに、前記サーボドライブ４００ｂの通電電流のみで、前記２個の可動子２０２ａおよび２０２ｂに磁束を作用させることができるので、片側のサーボドライブが故障停止した場合でも、リニアモータの駆動を補償する冗長性の高いシステムを構築可能である。さらに、前記サーボドライブ４００ａおよび４００ｂの電流仕様を高くすること、例えば、事故時においては電流値を高くすることで、前記サーボドライブ４００ａまたは４００ｂのみを動作させたときに、システムを定格動作させることが可能となる。

１００：リニアモータ、３００：リニアモータドライブシステム、４００ａ：サーボドライブ、４００ｂ：サーボドライブ、１０２ｕ：Ｕ相電機子、１０２ｖ：Ｖ相電機子、１０２ｗ：Ｗ相電機子、２０２ａ：可動子、２０２ｂ：可動子

Claims (5)

1. 磁極と巻線からなる電機子と、永久磁石を有する可動子とが相対的に移動可能なリニアモータドライブシステムにおいて、
   前記可動子を少なくとも２つ以上有し、かつ、前記電機子を少なくとも１相以上相対的に移動し、
   前記電機子は、一相毎に閉磁気回路を有し、かつ、少なくとも２つ以上の巻線グループを有し、
   前記２つ以上の巻線グループはそれぞれ別個のドライブ装置に接続されることを特徴とするリニアモータドライブシステム。
2. 請求項１のリニアモータドライブシステムにおいて、
   前記リニアモータは３相モータであり、前記ドライブ装置は位置制御系あるいは速度制御系、又は電流制御系を備えるとともに、可変電圧出力機能を有する３相サーボドライブであることを特徴とするリニアモータドライブシステム。
3. 請求項１、又は請求項２のリニアモータドライブシステムにおいて、
   前記２つ以上の巻線グループに接続されたドライブ装置は前記２つ以上の可動子を同期駆動するとともに、
   前記ドライブ装置の内少なくとも１つのドライブ装置を用いて前記２つ以上の可動子を駆動することを特徴とするリニアモータドライブシステム。
4. 請求項１、又は請求項2のリニアモータドライブシステムにおいて、
   前記２つ以上の巻線グループは、前記２以上の可動子の内１つの可動子を挟み込む巻線を１グループ構成にしたことを特徴とするリニアモータドライブシステム。
5. 請求項１から請求項４のうちの1つのリニアモータドライブシステムにおいて、
   前記電機子における内部鉄心の厚みを、前記電機子の外部鉄心の厚みより小さくすることを特徴とするリニアモータドライブシステム。