JP2016171669A - リニアモータ、リニアモータの制御装置、リニアモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータのセンサレス化が可能な高い突極比を得る。【解決手段】固定子２と可動子３とを有し、可動子３が界磁磁石３７と電機子巻線３８を備えたリニアモータ１であって、可動子３は、電機子巻線３８が巻回される複数のティース部３３を備えた可動子鉄心３１を有し、複数のティース部３３のうちの一部又は全てのティース部３３は、電機子巻線３８が収容されるスロット部３６に第１穴部４０が形成されている。第１穴部４０は、ティース部３３の固定子２側の端部から離間した位置に形成されている。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、リニアモータ、リニアモータの制御装置、リニアモータの制御方法に関する。

特許文献１には、リニアモータなどの永久磁石励磁電気機械の一次側磁極部材のための歯モジュールが記載されている。

特表２００９−５０９４９０号公報

例えば、高い位置決め精度が不要な搬送用途等に使用されるリニアモータでは、更なるコスト削減のために、リニアスケールを排除してセンサレス化することが要求される場合がある。センサレス化するには、モータインダクタンスに高い突極比が必要となるが、上記従来技術の歯モジュールを用いたリニアモータでは突極比が低く、センサレス化が難しいという課題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高い突極比を得ることが可能なリニアモータ、リニアモータの制御装置、リニアモータの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子と可動子とを有し、前記可動子が界磁磁石と電機子巻線を備えたリニアモータであって、前記可動子は、前記電機子巻線が巻回される複数のティース部を備えた可動子鉄心を有し、前記複数のティース部のうちの一部又は全てのティース部は、前記電機子巻線が収容されるスロット部に第１穴部が形成されるリニアモータが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、固定子と可動子とを有し、前記可動子が界磁磁石と電機子巻線を備えたリニアモータであって、前記可動子は、前記電機子巻線が巻回される複数のティース部を備えた可動子鉄心を有し、前記ティース部は、前記固定子側の端部の断面積よりも前記断面積が小さい細歯部を有するリニアモータが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、固定子と可動子とを有し、前記可動子が界磁磁石と電機子巻線を備えたリニアモータであって、前記可動子は、前記電機子巻線が巻回される複数のティース部を備えた可動子鉄心を有し、前記可動子鉄心は、可動方向における両端位置に前記電機子巻線が巻回されないサブティース部を有し、前記サブティース部と隣接する前記ティース部の可動方向の幅が、前記サブティース部に隣接しない前記ティース部の可動方向の幅よりも広いリニアモータが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、上記リニアモータのトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかを行うリニアモータの制御装置であって、前記固定子の固定子歯の中心方向に延びる軸をｄ軸、前記中心方向と電気角において９０度ずれた方向に延びる軸をｑ軸とした場合に、前記ｄ軸及び前記ｑ軸の少なくとも一方に高周波電圧を付与するように構成された高周波電圧付与部と、前記ｑ軸に負荷電流を付与するように構成された負荷電流付与部と、を有するリニアモータの制御装置が適用される。

また、本発明のさらに別の観点によれば、上記リニアモータのトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかを行うリニアモータの制御方法であって、前記固定子の固定子歯の中心方向に延びる軸をｄ軸、前記中心方向と電気角において９０度ずれた方向に延びる軸をｑ軸とした場合に、前記ｄ軸及び前記ｑ軸の少なくとも一方に高周波電圧を付与することと、前記ｑ軸に負荷電流を付与することと、を有するリニアモータの制御方法が適用される。

本発明によれば、リニアモータのセンサレス化が可能な高い突極比を得ることができる。

実施形態に係るリニアモータの全体構成の一例を表す可動方向断面図である。 リニアモータの一部分を拡大して表す拡大断面図である。 センサレス制御を行う制御システム及び制御装置の機能構成例を表すブロック図である。 可動方向断面における可動子の磁極配置の一例について説明する図である。 無負荷状態でＵ相がｄ軸に一致したときの磁束分布の一例を表す図である。 無負荷状態でＵ相がｑ軸に一致したときの磁束分布の一例を表す図である。 一般的な電磁鋼板のＢ−Ｈ曲線の一例を表す図である。 無負荷状態でＵ相がｄ軸に一致したときの穴部の作用の一部を表す説明図である。 探査信号を重畳入力した場合の比較例における高周波インダクタンスの変化の一例を表す図である。 探査信号を重畳入力した場合の実施形態における高周波インダクタンスの変化の一例を表す図である。 ティース部の穴部の有無等の可動子鉄心の条件の違いによるコギング推力の変化の一例を表す図である。 可動子鉄心の条件及びコギング推力の最大幅の数値の一例を表す図である。 制御装置のハードウェア構成例を表すブロック図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下において、リニアモータ等の構成の説明の便宜上、上下左右等の方向を適宜使用する場合があるが、リニアモータ等の各構成の位置関係を限定するものではない。

＜１．リニアモータの構成＞
図１を参照しつつ、本実施形態に係るリニアモータ１の全体構成の一例について説明する。

図１に示すように、リニアモータ１は、固定子２と、可動方向（図１に示すＸ軸正方向又は負方向）に移動する可動子３とを有する。リニアモータ１は、可動子３が界磁磁石３７と電機子巻線３８とを有しており、例えば長ストローク搬送用途に適合するリニアモータである。以下では、リニアモータ１がフラックススイッチング（Ｆｌｕｘ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モータである場合を例にとって説明するが、これに限定されるものではない。例えば、リニアモータ１は、マグナギャップ（Ｍａｇｎａ Ｇａｐ）モータや、ＨＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ）モータ等のインダクタ形リニアモータであってもよい。

（１−２．固定子の構成）
固定子２は、複数の固定子ティース２２（固定子歯の一例）を有する固定子鉄心２１を備える。固定子鉄心２１は、例えば複数枚の電磁鋼板を積層方向（図１に示すＹ軸方向）に積層して形成されている。固定子鉄心２１は、可動子３の上記可動方向に延びる長尺の固定子ベース２３を有し、複数の固定子ティース２２は、固定子ベース２３の上記可動方向に沿って所定の間隔を空けて設けられている。各固定子ティース２２は、固定子ベース２３から可動子３に向けて突出した形状（例えば台形状）に形成されている。

（１−３．可動子の構成）
可動子３は、図１及び図２に示すように、上記可動方向に沿って配置されたベース部３０と、ベース部３０に設けられた可動子鉄心３１と、可動子鉄心３１に設けられた複数の上記界磁磁石３７及びこれと同数の上記電機子巻線３８とを備える。可動子鉄心３１は、例えば複数枚の電磁鋼板を上記積層方向に積層して形成されている。

可動子鉄心３１は、ヨーク部３２と、複数のティース部３３と、２つのサブティース部３４とを備える。複数のティース部３３は、ベース部３０の固定子２側に可動方向に沿って設けられ、２つのサブティース部３４は、複数のティース部３３の可動方向両端に設けられている。ティース部３３及びサブティース部３４は、ヨーク部３２から固定子２に向けて突出した形状に形成され、固定子ティース２２と磁気的ギャップを空けて対向している。サブティース部３４の可動方向に沿う幅は、ティース部３３の可動方向に沿う幅よりも小さくなるように形成されている。ヨーク部３２は、ベース部３０の固定子２側に設けられ、複数のティース部３３同士及びティース部３３とサブティース部３４とを固定子２とは反対側の位置で（この例では架橋部３２ａにより）接続する。

ティース部３３の可動方向略中央部には、ティース部３３の固定子２側の端部からヨーク部３２にかけて磁気的ギャップ方向（図１に示すＺ軸方向）に沿って形成された略矩形状の磁石挿入穴３５が設けられている。磁石挿入穴３５は、可動子鉄心３１の幅方向（Ｙ軸方向）に貫通する貫通穴である。また、隣り合うティース部３３同士の間、及び隣り合うティース部３３とサブティース部３４の間には、ティース部３３に巻回される電機子巻線３８が収容されるスロット部３６が形成されている。

界磁磁石３７は、磁石挿入穴３５に挿入され、例えば接着剤により磁石挿入穴３５に固定される。複数の界磁磁石３７は、可動方向に隣り合う界磁磁石３７を一対とした場合に、各対の２つの界磁磁石３７の対向面が同極のＮ極（又はＳ極）の磁極となるような向きに磁化される。これにより、隣り合うティース部３３の間に、Ｎ極又はＳ極の磁極部３９が可動方向に沿って交互に形成される。電機子巻線３８はティース部３３の周囲にのみ巻回され、サブティース部３４には巻回されない。ティース部３３に巻回された電機子巻線３８は上記スロット部３６に収容され、ティース部３３と共に樹脂でモールドされる。

ティース部３３には、スロット部３６に第１穴部４０が形成されている。第１穴部４０は、可動子鉄心３１の幅方向（Ｙ軸方向）に貫通している。第１穴部４０は、ティース部３３の固定子２側の端部から離間した位置に形成されている。サブティース部３４と隣接するティース部３３には、第１穴部４０はサブティース部３４とは反対側のスロット部３６にのみ形成され、サブティース部３４側のスロット部３６には形成されていない。

なお、上記第１穴部４０は、可動方向に凹んだ凹部とも言うことができる。すなわち、ティース部３３は、上記凹部が可動方向両側に形成されることにより、固定子２側の端部の断面積よりも断面積が小さい細歯部３３ａを、磁気的ギャップ方向における中間部に有している。この細歯部３３ａは、可動方向の幅がティース３３の固定子側の端部の幅よりも小さくなっている。そして、サブティース部３４と隣接するティース部３３の可動方向の幅は、サブティース部３４に隣接しないティース部３３の可動方向の幅と同じ、もしくはそれよりも広くなっている。

第１穴部４０は、電機子巻線３８の無通電状態において、固定子２の固定子ティース２２と磁気的ギャップ方向に対向したティース部３３が第１穴部４０の形成位置において界磁磁石３７により実質的に磁気飽和するような大きさ、形状等となるように形成される。

なお、第１穴部４０は、この例では、上記磁気的ギャップ方向に長い略台形状に形成され、固定子２側の一辺４０ａが、ティース部３３の可動方向の幅が固定子２側に向けて拡大するように傾斜している。このような形状により、界磁磁石３７からの主磁束を固定子２側に誘導し易くなっている（後述の図８参照）。

ヨーク部３２には、磁石挿入穴３５の可動方向側に磁石挿入穴３５と連通する第２穴部４２が形成されている。第２穴部４２は、可動子鉄心３１の幅方向（Ｙ軸方向）に貫通している。ただし、サブティース部３４と隣接するティース部３３の磁石挿入穴３５については、サブティース部３４とは反対側にのみ第２穴部４２が形成され、サブティース部３４側には第２穴部４２が形成されていない。

第２穴部４２は、電機子巻線３８の無通電状態において、固定子２の固定子ティース２２と磁気的ギャップ方向に対向したティース部３３が第２穴部４２と第１穴部４０との間（図２に示すＡ部）において界磁磁石３７により実質的に磁気飽和するような大きさ、形状等となるように形成される。

なお、第２穴部４２は、この例では上記磁気的ギャップ方向に長い略台形状に形成され、第２穴部４２の固定子２側の一辺４２ａは、第２穴部４２が固定子２側に向けて小さくなるように傾斜している。このような形状により、界磁磁石３７からの主磁束を固定子２側に誘導し易くなっている（後述の図８参照）。

なお、図１及び図２等では、可動子鉄心３１のヨーク部３２や複数のティース部３３、サブティース部３４が一体に形成された場合を一例として図示しているが、例えば可動子鉄心３１を各ティース部ごとに分割可能に構成してもよい。

＜２．センサレス制御の具体例＞
図３は、上記リニアモータ１に対してセンサレス制御により速度制御を行うリニアモータの制御システム１００及び制御装置３００の構成の一例を表している。なお、図３に示す機能ブロック図は伝達関数形式で表記されている。この図３において、制御システム１００は、リニアモータ１と、制御装置３００とを有する。制御装置３００は、ｑ軸に負荷電流を付与し、ｄ軸に高周波電圧を付与する。以下、より具体的に機能ブロックで実装した例を説明する。

制御装置３００は、減算器３２１と、ベクトル制御器３２２と、電圧制御器３２３と、電流検出器３２４と、矩形波電圧発生器３２５と、座標変換器３２６と、磁極位置演算器３２７と、速度演算器３２８とを備えている。

この図３では示していない上位制御装置から、リニアモータ１の駆動を制御するための磁束指令値と速度指令値ωｒ＊が入力されている。速度指令値ωｒ＊は、減算器３２１により後述する速度推定値ωｒ＾との偏差が取られる。この偏差と磁束指令値がベクトル制御器３２２に入力される。ベクトル制御器３２２は、負荷状態によらず速度推定値ωｒ＾が速度指令値ωｒ＊に一致するようにモータ電流の磁束成分（ｄ軸成分）とトルク成分（ｑ軸成分）とを定めて、リニアモータ１の速度及び電流を制御するための電圧指令値を回転直交座標系（ｄ−ｑ軸座標系）における２相電圧指令値ΔＶｓｄ＊，ΔＶｓｑ＊として出力する。電圧制御器３２３（負荷電流付与部の一例）は、入力された２相電圧指令値ΔＶｓｄ＊，ΔＶｓｑ＊に基づいて、リニアモータ１に３相駆動電圧を出力する。これにより制御装置３００は、任意の速度とそれに対応するトルクでリニアモータ１を駆動制御できる（位置制御も行うが図示を省略）。

また一方、図示していない上位制御装置から、磁極位置検出制御信号が矩形波電圧発生器３２５に入力される。磁極位置検出制御信号を入力された矩形波電圧発生器３２５（高周波電圧付与部の一例）は、任意に設定した時間周期の矩形波電圧（高周波電圧の一例）で電圧指令ΔＶｈと位相指令Δθｈを出力する。これら電圧指令ΔＶｈと位相指令Δθｈが、電圧制御器３２３内で上記の電圧指令値ΔＶｓｄ＊に重畳されることで、ｄ軸に高周波電圧が付与される。このようにして、電圧制御器３２３はリニアモータ１に出力する電圧の振幅と位相を操作する。

電流検出器３２４は、リニアモータ１に入力される電流を３相ｉｕ，ｉｖ，ｉｗそれぞれで検出する。座標変換器３２６は、これら３相電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、２相電流値ｉｓα、ｉｓβに変換する。これら２相電流値ｉｓα，ｉｓβは、ｕ相を基準軸のα軸としてそれに直交するβ軸との直交座標系における各軸の電流値である。ここで、リニアモータ１のｄ軸とｑ軸のそれぞれのインダクタンスに偏差がある場合、すなわち、当該リニアモータ１が磁気突極性を有する場合、この２相電流値ｉｓα，ｉｓβの振幅は磁極位置ｘの情報を含んでいる。磁極位置演算器３２７は、上記矩形波電圧発生器３２５から出力された電圧指令ΔＶｈを参照しつつ、２相電流値ｉｓα，ｉｓβに基づいてリニアモータ１の磁極位置ｘを演算し出力する。この磁極位置ｘの演算手法については、公知の手法に従って行えばよく（例えば特開２０１０−１７２０８０号公報参照）、ここでは詳細な説明を省略する。

磁極位置演算器３２７が出力する磁極位置信号ｘは、電圧制御器３２３に入力されるとともに、速度演算器３２８にも入力される。速度演算器３２８は、磁極位置ｘを微分演算することでリニアモータ１の推定速度ωｒ＾を演算する。この速度推定値ωｒ＾は、上記減算器３２１で速度指令値ωｒ＊から減算して偏差を取ることで、速度フィードバック制御に利用される。そして、特に図示しないが、磁極位置ｘはＵ相を基準としたリニアモータ１の回転位置としてみなすことができ、上位制御装置内でこの磁極位置信号ｘを利用した位置フィードバック制御も行う。以上から、リニアモータ１の磁極位置ｘを高い精度で検出するためには、リニアモータ１の磁気突極性が高いことが要求される。

なお、上記では、探査信号である矩形波電圧をｄ軸（電圧指令値ΔＶｓｄ＊）に重畳し、ｑ軸成分だけに負荷交流電流を入力（ｄ軸成分には磁束成分だけ入力）したが、これに限定されない。負荷交流電流についてはｑ軸成分だけに入力すべきだが、探査信号はｑ軸あるいはｄ軸とｑ軸の両方に重畳入力してもよい。しかし、ｑ軸に高周波電圧信号を重畳すると駆動に必要な電圧の低下やトルク脈動を生じさせる原因となるため、できるだけｄ軸だけに探査信号を重畳入力するのが望ましい。また、上記リニアモータ１のｄ軸、ｑ軸インダクタンスは、基本波電流に対するインダクタンスではなく、高周波重畳電圧信号とそれに対応する電流から定義される高周波インダクタンスのことであり、以後の説明でも高周波インダクタンスを単にインダクタンスと呼ぶ。

なお、上述した電圧制御器３２３、矩形波電圧発生器３２５等における処理等は、これらの処理の分担の例に限定されるものではなく、例えば、１つの処理部で処理されてもよく、また、更に細分化された処理部により処理されてもよい。また、制御装置３００は、矩形波電圧発生器３２５のリニアモータ１に駆動電力を給電する部分（インバータ等）のみ実際の装置により実装され、その他の機能は後述するＣＰＵ９０１（図１１参照）が実行するプログラムにより実装されてもよいし、電圧制御器３２３及び矩形波電圧発生器３２５の一部又は全部がＡＳＩＣやＦＰＧＡ９０７（図１１参照）、その他の電気回路等の実際の装置により実装されてもよい。

＜３．リニアモータの可動方向断面における磁極配置＞
次に、図４用いて可動方向断面における可動子３の磁極配置について説明する。上述のように本実施形態のリニアモータ１は、可動子３が複数のティース部３３及び複数の磁極部３９を備えた構成となっている。

この例では、可動子３の同相における隣り合う２つのティース部３３どうしでは、電機子巻線３８の巻回方向が互いに逆向きとなっている。そして、隣り合う２つのティース部３３が一つの組となって同一の電流相に対応する。また各組の単位で可動方向（この例ではＸ軸負の方向）に沿って順にＵ，Ｖ，Ｗの電流相が配置されている。つまり、隣り合う２組のティース部３３どうしは、電気的に１２０°ずれた位相差で交番磁界が発生する（但し、可動子３の可動に伴い後述するｄ軸とｑ軸の移動に応じて各相の振幅は変化する）。ティース部３３を１２個（６組）備える本実施形態の可動子３においては、供給される３相交流の各相Ｕ，Ｖ，Ｗにそれぞれ２組のティース部３３部が対応する。

また、複数の界磁磁石３７は、同相における隣り合う２つの界磁磁石３７どうしが互いに向かい合う方向（図中の矢印ブロックの方向）で着磁されている。これにより、Ｎ極どうしが向かい合う位置の磁極部３９は、Ｎ型磁極部３９Ｎとなる。また、Ｓ極どうしが向かい合う位置の磁極部３９は、Ｓ型磁極部３９Ｓとなる。これらＮ型磁極部３９ＮとＳ型磁極部３９Ｓは、可動子鉄心３１の可動方向に沿って交互に配置される。

電機子巻線に磁石磁束が最も鎖交する固定子ティース２２の中心位置をｄ軸位置とし、ｄ軸位置から電気角で９０度ずれた方向に伸びる軸（磁石磁束が最も鎖交しない固定子ティース２２の位置）をｑ軸とする。図４においては、Ｗ相の可動子ティース部３３と固定子ティース２２が対向し、Ｗ相の電機子巻線に磁石磁束が最も鎖交するので、この固定子ティース２２の中心をｄ軸とする。

＜４．リニアモータの可動方向断面における磁束分布＞
図５及び図６は、以上のような磁極配置のリニアモータ１における、磁束の発生分布を表している。三相交流モータでは、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に互いに１２０°の位相差を持つ交流電流を印加するが、図５及び図６では、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相に電流を印可してない状態の磁束分布を示している。

図５に示す例は、可動子３が移動している最中に、２つのＵ相それぞれの２つのティース部３３が固定子２の２つの固定子ティース２２と略対向した位置にあり、Ｕ相それぞれがｄ軸と略一致する状態を示している。この場合、２つのＶ相と２つのＷ相それぞれの２つのティース部３３は、固定子２の２つの固定子ティース２２の略中間位置にあり、Ｖ相とＷ相はｑ軸から電気角で略３０°ずれた位置にあり、ｑ軸位置に近い位置にある。

このＵ相がｄ軸と一致した状態では、Ｕ相の一方の界磁磁石３７から出た磁束が一方のティース部３３から固定子２の一方の固定子ティース２２に入り、固定子鉄心２１を通って他方の固定子ティース２２から他方のティース部３３に入り、他方の界磁磁石３７に流入する磁路が形成される。この磁路中、ティース部３３のＡ部の位置で第１穴部４０による断面積の減少により磁気飽和する。これにより、Ｕ相のｄ軸インダクタンスＬｄが低下する。さらに、Ｕ相の他方の界磁磁石３７から架橋部３２ａ（後述の図８参照）を介して一方の界磁磁石３７に流入する漏れ磁束の磁路において、ティース部３３のＢ部の位置で第１穴部４０及び第２穴部４２による断面積の減少により磁気飽和する。これにより、Ｕ相のｄ軸インダクタンスＬｄがさらに低下する。

同様に、可動子３の移動に伴いＶ相がｄ軸と略一致すると、Ｖ相のｄ軸のインダクタンスＬｄが低下し、Ｗ相がｄ軸と略一致すると、Ｗ相のｄ軸のインダクタンスＬｄが低下する。

図６に示す例は、可動子３が移動している最中に、２つのＵ相それぞれの２つのティース部３３が固定子２の２つの固定子ティース２２の中間位置に対向した位置にあり、Ｕ相がｑ軸と略一致する状態を示している。この場合、Ｖ相とＷ相はｄ軸位置から電気角で略３０°ずれた位置にあり、ｄ軸位置に近い位置にある。

このＵ相がｑ軸と一致した状態では、Ｕ相の一方の界磁磁石３７から出た磁束が固定子２の固定子鉄心２１を通り他方の界磁磁石３７に流入する磁気回路が形成されない。このため、ティース部３３のＡ部の位置で第１穴部４０による断面積の減少があっても磁気飽和が緩和し、ティース部３３のＢ部の位置で第１穴部４０及び第２穴部４２による断面積の減少があっても磁気飽和が緩和する。これにより、Ｕ相のｑ軸のインダクタンスＬｑが増大する。

同様に、可動子３の移動に伴いＶ相がｑ軸と略一致すると、Ｖ相のｑ軸のインダクタンスＬｑが増大し、Ｗ相がｑ軸と略一致すると、Ｗ相のｑ軸のインダクタンスＬｑが増大する。

以上を総合すると、ｄ軸方向のティース部３３は一定磁束により全体的に磁気飽和し、重畳電圧により発生する磁束が通りにくくなる（ｄ軸インダクタンスが低下する）。一方、ｑ軸近傍のティース部３３では、磁気飽和しないため、重畳電圧により発生する磁束はｄ軸方向のティース部３３よりも通りやすくなる（ｑ軸インダクタンスが大きくなる）。

＜５．第１穴部、第２穴部の形成による磁極突極比への影響＞
可動子３の磁極突極比（「磁気突極比」ともいう）をρ、ｑ軸のインダクタンスをＬｑ、ｄ軸のインダクタンスをＬｄとすると、
ρ＝Ｌｑ／Ｌｄ ・・・（１）
の関係となる。上述したように、センサレス制御においてリニアモータ１の磁極位置ｘを高い精度で検出するためには、当該可動子３における磁極突極比ρが高いことが要求される。

ここで、インダクタンスＬは、磁束φと電流ｉより、式（２）で定義され、電流に対する発生磁束が多いほどインダクタンスが大きくなる。
φ＝Ｌｉ ・・・（２）
また、電圧ｖ、電流ｉとインダクタンスＬの関係は式（３）で表されるため、一定の交流電圧に対して、インダクタンスが小さいほど交流電流の時間的偏差が大きくなる。
ｖ＝ｄφ／ｄｔ＝Ｌｄｉ／ｄｔ ・・・（３）
以上のインダクタンスの性質を利用し、センサレス制御では、矩形波電圧発生器３２５から出力される矩形波電圧（高周波電圧の一例）を２相電圧指令値ΔＶｓｄ＊，ΔＶｓｑ＊に重畳し、ｄ軸とｑ軸の間のインダクタンス偏差により生じる２相電流値ｉｓα，ｉｓβの振幅偏差に基づいて磁極位置ｘを推定する。

本実施形態の例では、瞬時電流値が０となっている相（図５に示す例ではＵ相）に一致するｄ軸方向のティース部３３が最も磁気飽和し易く、すなわち最もインダクタンスの小さいｄ軸となる。また、瞬時電流値が流れている相（図５に示す例ではＶ相、Ｗ相）のｑ軸方向近傍のティース部３３が磁気飽和しにくく、すなわちインダクタンスの大きいｑ軸となる。可動子３全体におけるｄ軸インダクタンスＬｄ（（１）式の分母）とｑ軸インダクタンスＬｑ（（１）式の分子）は、それぞれ複数のコイルによるｄ軸インダクタンスの総量、複数のコイルによるｑ軸インダクタンスの総量となる。

可動子３に駆動トルクを与えるには、ｑ軸成分の負荷電流だけを印加させればよい（ｄ軸成分はトルクには影響しない）。しかし、ｑ軸成分の負荷電流を大きく増加すると、可動子鉄心３１の磁気飽和が大きくなり、可動子鉄心形状に起因する磁極突極比ρが低下する。すなわち、リニアモータ１の磁極位置ｘの検出精度が低下してしまう。

これに対し、リニアモータ１の磁極突極比ρを高めるために、ティース部３３の磁気飽和を利用することで、磁極突極比ρを高めることができる。すなわち、瞬時電流値が０となっている相（図５に示す例ではＵ相）に一致するｄ軸のインダクタンスをさらに小さくし、瞬時電流値が流れている２つの相（図５に示す例ではＶ相、Ｗ相）のｑ軸のインダクタンスをさらに大きくすればよい。

このために本実施形態では、可動子３の各電機子巻線３８の無通電状態（以下適宜「無負荷状態」ともいう）において、固定子２の固定子ティース２２に対向したティース部３３が界磁磁石３７からの一定磁束のみにより実質的に磁気飽和するよう、各ティース部３３が構成される。その具体的な手段として、固定子ティース２２と対向したティース部３３が実質的に磁気飽和するように、各ティース部３３のスロット部３６に第１穴部４０が形成されている。これにより、ティース部３３の第１穴部４０の形成部分における断面積を減少させることができる。そして、第１穴部４０は、電機子巻線３８の無通電状態において、磁極部３９と対向したティース部３３が第１穴部４０の形成位置において界磁磁石３７により実質的に磁気飽和するように、可動方向の寸法や形状等を設定されている。これにより、電機子巻線３８の無通電状態において磁極部３９と対向したティース部３３の第１穴部４０の形成部分における界磁磁石３７による磁束密度を増大させ、実質的に磁気飽和させることが可能となる。これにより、ｄ軸インダクタンスを小さく抑えることができる。

ここで、一般的にティース部３３を構成する電磁鋼板は、図７のＢ−Ｈ曲線に示すような磁気飽和特性を有している。すなわち、電磁鋼板にかける磁界強度を０から次第に増加させた場合、磁界強度が低いうちはそれにほぼ比例するように磁束密度が上昇する。しかし、磁界強度をある程度以上に増加させると、磁束密度の上昇率は低下し、最後にはほとんど磁束密度が上昇しなくなる。本実施形態では、磁束密度が例えば１．９Ｔ（テスラ）以上となった状態を、「実質的に磁気飽和」した状態とする。なお、実質的に磁気飽和した状態の磁束密度はこの値に限定されるものではなく、ティース部３３を構成する材質等に応じて適宜変更される。

これにより、瞬時電流値が０となっている相（図５に示す例ではＵ相）に一致するｄ軸位置では、固定子ティース２２に対向するティース部３３が界磁磁石３７からの一定磁束線だけでほぼ磁気飽和して（磁束の通過余裕をなくして）インダクタンスを最小にできる。すなわち、可動子３全体のｄ軸のインダクタンスの総量Ｌｄを小さくできる。また、瞬時電流値が流れている２つの相（図５に示す例ではＶ相、Ｗ相）のｑ軸位置近傍では、２つの固定子ティース２２の中間位置に対向するティース部３３が磁気飽和を弱めてインダクタンスを増加できる。すなわち、可動子３全体のｑ軸のインダクタンスの総量Ｌｑを大きくできる。以上により、上記（１）式の右辺の分母（Ｌｄ）を小さくし、右辺の分子（Ｌｑ）を大きく取れるため、可動子３の磁極突極比ρを高めることができる。

＜６．実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のリニアモータ１は、可動子３が界磁磁石３７と電機子巻線３８を備えるリニアモータである。その可動子３の複数のティース部３３には、電機子巻線３８が収容されるスロット部３６に第１穴部４０が形成されるので、第１穴部４０の形成部分におけるティース部３３の断面積を減少させることができる。これにより、電機子巻線３８の無通電状態において固定子２の固定子ティース２２と磁気的ギャップ方向に対向したティース部３３の上記穴部４０の形成部分における界磁磁石３７による磁束密度を増大させ、実質的に磁気飽和させることが可能となる。これにより、ｄ軸インダクタンスＬｄを小さく抑えることができる。したがって、高い突極比を得ることができるので、センサレス化が可能となる。

また、本実施形態では特に、第１穴部４０は、ティース部３３の固定子２側の端部から離間した位置に形成される。これにより、ティース部３３の固定子２と対向するギャップ面積を確保でき、推力特性の低下を抑制できる。

また、本実施形態では特に、可動子鉄心３１は、可動方向における両端位置に電機子巻線３８が巻回されないサブティース部３４を有し、サブティース部３４と隣接するティース部３３は、サブティース部３４とは反対側のスロット部３６にのみ上記第１穴部４０が形成される。これにより、次の効果を奏する。

すなわち、可動子鉄心３１の両端位置にサブティース部３４を設けるので、コギング推力を低減できる。また、複数のティース部３３のうちサブティース部３４と隣接するティース部３３については、サブティース部３４とは反対側のスロット部３６にのみ第１穴部４０を形成し、サブティース部３４側のスロット部３６には第１穴部４０を形成しないので、サブティース部３４を通る磁束を増加させることができ、コギング低減効果を確保できる。

また、本実施形態では特に、第１穴部４０は、電機子巻線３８の無通電状態において、固定子２の固定子ティース２２と磁気的ギャップ方向に対向したティース部３３が第１穴部４０の形成位置において界磁磁石３７により実質的に磁気飽和するように形成される。

これにより、ｄ軸インダクタンスＬｄを小さく抑え、高い突極比を得ることができるので、センサレス化を実現できる。

また、本実施形態では特に、可動子鉄心３１は、スロット部３６の固定子２とは反対側に位置し、複数のティース部３３を接続するヨーク部３２と、複数のティース部３３の各々においてティース部３３からヨーク部３２にかけて磁気的ギャップ方向に沿って形成され、界磁磁石３７が挿入される磁石挿入穴３５と、ヨーク部３２において磁石挿入穴３５の可動方向側に形成された第２穴部４２と、を有する。これにより、次の効果を奏する。

すなわち、第２穴部４２を磁石挿入穴３５の可動方向側に形成することにより、図８に示すように、ヨーク部３２において磁石挿入穴３５の固定子２側とは反対側の架橋部３２ａを流れる漏れ磁束を低減することが可能となるので、モータ特性を向上できる。

また、本実施形態では特に、第２穴部４２は、磁石挿入穴３５の固定子２側とは反対側の端部に連通して形成される。

このように、第２穴部４２を磁石挿入穴３５に連通して形成することで、架橋部３２ａの長さを長くすることが可能となるので、漏れ磁束の低減効果を高めることができる。

また、本実施形態では特に、サブティース部３４と隣接するティース部３３の磁石挿入穴３５は、サブティース部３４とは反対側にのみ第２穴部４２が形成される。

本実施形態では、このように、複数のティース部３３のうちサブティース部３４と隣接するティース部３３の磁石挿入穴３５については、サブティース部３４とは反対側にのみ第２穴部４２を形成し、サブティース部３４側には第２穴部４２を形成しないので、サブティース部３４を通る磁束を増加させることができる。したがって、サブティース部３４によるコギング低減効果を確保できる。

また、本実施形態では特に、第２穴部４２は、電機子巻線３８の無通電状態において、固定子２の固定子ティース２２と磁気的ギャップ方向に対向したティース部３３が第２穴部４２と第１穴部４０との間において界磁磁石３７により実質的に磁気飽和するように形成される。

本実施形態では、このように、第１穴部４０による磁気飽和効果と第２穴部４２による磁気飽和効果との相乗効果により、ｄ軸インダクタンスＬｄをさらに小さくすることが可能となるので、突極比をさらに高めることができる。

（６−１．シミュレーション結果）
次に、上述した本実施形態の効果について、シミュレーション結果を用いて説明する。図９Ａは、ティース部３３に穴部がない比較例における高周波インダクタンス変化の結果を表し、図９Ｂは、ティース部３３に穴部（第１穴部４０及び第２穴部４２）がある本実施形態における高周波インダクタンス変化の結果を表している。高周波インダクタンス変化は、電機子巻線３８の無負荷状態で、Ｕ−Ｖ相間に探査信号を重畳入力した場合の高周波インダクタンス変化である。なお、図の横軸は、電気角範囲３６０°に渡る可動子位置である。また図の縦軸は、高周波インダクタンスであり、高周波電圧信号により発生する高周波磁束の通りやすさに相当する。図９Ａにおいて、◇印でプロットした曲線は、Ｕ相のインダクタンス変化であり、■印でプロットした曲線は、Ｖ相のインダクタンス変化であり、▲印でプロットした曲線は、Ｕ相とＶ相のインダクタンスを足し合わせたＵ−Ｖ相インダクタンス変化である。

比較例では、図９Ａに示すように、Ｕ相、Ｖ相ともｄ軸の高周波インダクタンスは略正弦波状に変化するが、それらの振幅の変化は比較的少ない。この正弦波のうちの最小値に対する最大値の比（最大値／最小値）が磁極突極比ρに相当する。つまり正弦波の振幅が大きいほど磁極突極比ρが高い。比較例の場合には、図示するように、Ｕ相、Ｖ相とも磁極突極比ρが約１．１となり小さいことが分かる。

本実施形態では、図９Ｂに示すように、Ｕ相、Ｖ相ともｄ軸の高周波インダクタンスは略正弦波状に変化し、それらの振幅の変化は比較的大きい。本実施形態の場合には、図示するように、Ｕ相、Ｖ相とも磁極突極比ρが約１．４となり、上記比較例に比べて大幅に大きくできることが分かる。

図１０Ａは、ティース部３３の穴部の有無等の可動子鉄心３１の条件の違いによるコギング推力の変化を表す曲線であり、図１０Ｂは、上記可動子鉄心３１の条件及び最大コギング推力を表す表である。なお、図１０Ａの横軸は、上記図９Ａ，図９Ｂと同様、電気角範囲３６０°に渡る可動子位置である。また図の縦軸は、０を中心とした可動方向一方側への正のコギング推力及び可動方向他方側への負のコギング推力を表す。

図１０Ｂに示すように、タイプＡは、可動子鉄心３１の複数のティース部３３の全てのスロット部３６に穴部（第１穴部４０）があるが、複数のティース部３３の可動方向両端のサブティース部がない比較例の場合、タイプＢは、可動子鉄心３１の複数のティース部３３の可動方向両端にサブティース部３４があり、穴部（第１穴部４０）が全てのティース部３３のスロット部３６だけでなくサブティース部３４側のスロット部３６にもある比較例の場合、タイプＣは、可動子鉄心３１の複数のティース部３３の可動方向両端にサブティース部３４があり、穴部（第１穴部４０）が全てのティース部３３にはあるがサブティース部３４側のスロット部３６にはない本実施形態の場合である。

タイプＡでは、可動方向両端にサブティース部３４がないので、可動方向両端のサブティース部３４によるコギング低減効果が得られない。このため、タイプＡでは、図１０Ａに示すように、可動子位置の移動に対するコギング推力の変動が大きく、コギング推力の最大幅（ピーク・トゥ・ピーク値）は、図１０Ｂに示すように、２５．２［Ｎ］もの大きな値を示した。タイプＢでは、可動方向両端にサブティース部３４があるので、可動方向両端のサブティース部３４によるコギング低減効果があるものの、サブティース部３４側のスロット部３６に第１穴部４０があるため、第１穴部４０がサブティース部３４に磁束が流れるのを低減し、可動方向両端のサブティース部３４によるコギング低減効果が十分発揮されない。このため、タイプＢでは、図１０Ａに示すように、可動子位置の移動に対するコギング推力の変動が比較的大きく、コギング推力の最大幅は、図１０Ｂに示すように、７．２［Ｎ］の比較的大きな値を示した。タイプＣでは、サブティース部３４側のスロット部３６には第１穴部４０を形成しないので、第１穴部４０がサブティース部３４に流れる磁束が低減するのを防止でき、コギング低減効果を確保できる。このため、タイプＣでは、図１０Ａに示すように、可動子位置の移動に対するコギング推力の変動が小さく、コギング推力の最大幅は、図１０Ｂに示すように、４．９［Ｎ］の小さな値を示した。以上から、本実施形態の構成により、最も大きなコギング低減効果が得られることが分かる。

なお、以上既に述べた以外にも、上記実施形態による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

＜７．制御装置のハードウェア構成例＞
次に、図１１を参照しつつ、上記で説明したＣＰＵ９０１が実行するプログラムにより実装された電圧制御器３２３や矩形波電圧発生器３２５等による処理を実現する制御装置３００のハードウェア構成例について説明する。なお、図１１中では、制御装置３００のリニアモータ１に駆動電力を給電する機能に係る構成を適宜省略して図示している。

図１１に示すように、制御装置３００は、例えば、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５と、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡ等の特定の用途向けに構築された専用集積回路９０７と、入力装置９１３と、出力装置９１５と、ストレージ装置９１７と、ドライブ９１９と、接続ポート９２１と、通信装置９２３とを有する。これらの構成は、バス９０９や入出力インターフェース９１１を介し相互に信号を伝達可能に接続されている。

プログラムは、例えば、ＲＯＭ９０３やＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１７等の記録装置に記録しておくことができる。

また、プログラムは、例えば、フレキシブルディスクなどの磁気ディスク、各種のＣＤ・ＭＯディスク・ＤＶＤ等の光ディスク、半導体メモリ等のリムーバブル記憶媒体９２５に、一時的又は永続的に記録しておくこともできる。このようなリムーバブル記憶媒体９２５は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することもできる。この場合、これらのリムーバブル記憶媒体９２５に記録されたプログラムは、ドライブ９１９により読み出されて、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置に記録されてもよい。

また、プログラムは、例えば、ダウンロードサイト・他のコンピュータ・他の記録装置等（図示せず）に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、ＬＡＮやインターネット等のネットワークＮＷを介し転送され、通信装置９２３がこのプログラムを受信する。そして、通信装置９２３が受信したプログラムは、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置に記録されてもよい。

また、プログラムは、例えば、適宜の外部接続機器９２７に記録しておくこともできる。この場合、プログラムは、適宜の接続ポート９２１を介し転送され、入出力インターフェース９１１やバス９０９等を介し上記記録装置に記録されてもよい。

そして、ＣＰＵ９０１が、上記記録装置に記録されたプログラムに従い各種の処理を実行することにより、上記の電圧制御器３２３や矩形波電圧発生器３２５等による処理（例えば、ｄ軸及びｑ軸の少なくとも一方に高周波電圧を付与するステップと、ｑ軸に負荷電流を付与するステップ等）が実現される。この際、ＣＰＵ９０１は、例えば、上記記録装置からプログラムを、直接読み出して実行してもよく、ＲＡＭ９０５に一旦ロードした上で実行してもよい。更にＣＰＵ９０１は、例えば、プログラムを通信装置９２３やドライブ９１９、接続ポート９２１を介し受信する場合、受信したプログラムを記録装置に記録せずに直接実行してもよい。

また、ＣＰＵ９０１は、必要に応じて、例えばマウス・キーボード・マイク（図示せず）等の入力装置９１３から入力する信号や情報に基づいて各種の処理を行ってもよい。

そして、ＣＰＵ９０１は、上記の処理を実行した結果を、例えば表示装置や音声出力装置等の出力装置９１５から出力してもよく、さらにＣＰＵ９０１は、必要に応じてこの処理結果を通信装置９２３や接続ポート９２１を介し送信してもよく、上記記録装置やリムーバブル記憶媒体９２５に記録させてもよい。

１ リニアモータ
２ 固定子
３ 可動子
２２ 固定子ティース（固定子歯の一例）
３１ 可動子鉄心
３２ ヨーク部
３３ ティース部
３３ａ 細歯部
３４ サブティース部
３５ 磁石挿入穴
３６ スロット部
３７ 界磁磁石
３８ 電機子巻線
４０ 第１穴部
４２ 第２穴部
１００ 制御システム
３００ 制御装置
３２３ 電圧制御器（負荷電流付与部の一例）
３２５ 矩形波電圧発生器（高周波電圧付与部の一例）

Claims (13)

1. 固定子と可動子とを有し、前記可動子が界磁磁石と電機子巻線を備えたリニアモータであって、
   前記可動子は、
   前記電機子巻線が巻回される複数のティース部を備えた可動子鉄心を有し、
   前記複数のティース部のうちの一部又は全てのティース部は、
   前記電機子巻線が収容されるスロット部に第１穴部が形成される
   ことを特徴とするリニアモータ。
2. 前記第１穴部は、
   前記ティース部の前記固定子側の端部から離間した位置に形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記可動子鉄心は、
   可動方向における両端位置に前記電機子巻線が巻回されないサブティース部を有し、
   前記サブティース部と隣接する前記ティース部は、
   前記サブティース部とは反対側の前記スロット部にのみ前記第１穴部が形成される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアモータ。
4. 前記第１穴部は、
   前記電機子巻線の無通電状態において、前記固定子の固定子歯と磁気的ギャップ方向に対向した前記ティースが前記第１穴部の形成位置において前記界磁磁石により実質的に磁気飽和するように形成される
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリニアモータ。
5. 前記可動子鉄心は、
   前記スロット部の前記固定子とは反対側に位置し、前記複数のティース部を接続するヨーク部と、
   前記複数のティース部の各々において前記ティース部から前記ヨーク部にかけて磁気的ギャップ方向に沿って形成され、前記界磁磁石が挿入される磁石挿入穴と、
   前記ヨーク部において前記磁石挿入穴の可動方向側に形成された第２穴部と、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項に記載のリニアモータ。
6. 前記第２穴部は、
   前記磁石挿入穴の前記固定子側とは反対側の端部に連通して形成される
   ことを特徴とする請求項５に記載のリニアモータ。
7. 前記可動子鉄心は、
   可動方向における両端位置に前記電機子巻線が巻回されないサブティース部を有し、
   前記サブティース部と隣接する前記ティース部の前記磁石挿入穴は、
   前記サブティース部とは反対側にのみ前記第２穴部が形成される
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載のリニアモータ。
8. 前記第２穴部は、
   前記電機子巻線の無通電状態において、前記固定子の固定子歯と磁気的ギャップ方向に対向した前記ティースが前記第２穴部と前記第１穴部との間において前記界磁磁石により実質的に磁気飽和するように形成される
   ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載のリニアモータ。
9. 固定子と可動子とを有し、前記可動子が界磁磁石と電機子巻線を備えたリニアモータであって、
   前記可動子は、
   前記電機子巻線が巻回される複数のティース部を備えた可動子鉄心を有し、
   前記ティース部は、
   前記固定子側の端部の断面積よりも前記断面積が小さい細歯部を有する
   ことを特徴とするリニアモータ。
10. 前記細歯部は、
    可動方向の幅が前記固定子側の前記端部の幅よりも小さい
    ことを特徴とする請求項９に記載のリニアモータ。
11. 固定子と可動子とを有し、前記可動子が界磁磁石と電機子巻線を備えたリニアモータであって、
    前記可動子は、
    前記電機子巻線が巻回される複数のティース部を備えた可動子鉄心を有し、
    前記可動子鉄心は、
    可動方向における両端位置に前記電機子巻線が巻回されないサブティース部を有し、
    前記サブティース部と隣接する前記ティース部の可動方向の幅が、前記サブティース部に隣接しない前記ティース部の可動方向の幅よりも広い
    ことを特徴とするリニアモータ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載のリニアモータのトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかを行うリニアモータの制御装置であって、
    前記固定子の固定子歯の中心方向に延びる軸をｄ軸、前記中心方向と電気角において９０度ずれた方向に延びる軸をｑ軸とした場合に、
    前記ｄ軸及び前記ｑ軸の少なくとも一方に高周波電圧を付与するように構成された高周波電圧付与部と、
    前記ｑ軸に負荷電流を付与するように構成された負荷電流付与部と、
    を有する
    ことを特徴とするリニアモータの制御装置。
13. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載のリニアモータのトルク制御、速度制御、位置制御の少なくともいずれかを行うリニアモータの制御方法であって、
    前記固定子の固定子歯の中心方向に延びる軸をｄ軸、前記中心方向と電気角において９０度ずれた方向に延びる軸をｑ軸とした場合に、
    前記ｄ軸及び前記ｑ軸の少なくとも一方に高周波電圧を付与することと、
    前記ｑ軸に負荷電流を付与することと、
    を有することを特徴とするリニアモータの制御方法。

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