JP2017017953A - 巻線切替システムおよびリニアモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータの省配線化を図ることで、リニアモータのロングストローク化を容易にする。
【解決手段】巻線切替システム３０は、巻線群２１ごとに設けられる巻線切替器３１と、可動子１０の位置を検出する位置検出器３２と、可動子１０の位置に基づいて、励磁状態から非励磁状態に切り替えるべき巻線群２１の巻線切替器３１に向けてＯＦＦ指令を発するとともに、非励磁状態から励磁状態に切り替えるべき巻線群２１の巻線切替器３１に向けてＯＮ指令を発する制御装置３３と、を備えており、巻線切替器３１には、各相の相巻線２２に対してそれぞれスイッチ３４が設けられており、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１は、各相のスイッチ３４を順次ＯＦＦ状態に切り替え、ＯＮ指令を受けた巻線切替器３１は、各相のスイッチ３４を順次ＯＮ状態に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を有する可動子と、各相の相巻線を有してなる巻線群が可動子の移動方向に沿って複数並べられた固定子とを備えたリニアモータ、および当該リニアモータに設けられる巻線切替システムに関する。

永久磁石を有する可動子と、各相の相巻線を有してなる巻線群が可動子の移動方向に沿って複数並べられた固定子とを備えるリニアモータにおいては、各相巻線に適切なタイミングで通電を行って励磁させることにより、可動子に対して推力を発生させる。例えば、特許文献１に記載のリニアモータでは、各相巻線に対してそれぞれスイッチが設けられており、推力の発生に有効な相巻線を励磁するように構成されている。このため、推力の発生に寄与しない相巻線に対して無駄な通電をせずに済み、効率のよい駆動が可能となる。

特開２００９−１０６０４０号公報

ところが、特許文献１のリニアモータにおいては、各相巻線に設けられたスイッチのすべてが制御装置によってＯＮ／ＯＦＦされるように構成されており、制御装置から各スイッチへとＯＮ／ＯＦＦ指令を伝達するための配線を設ける必要があった。このため、制御装置から配索される配線数が多くなる傾向があった。特に、リニアモータのロングストローク化を図る場合には、配線数が膨大となってしまい、ロングストローク化に適さない構成となっていた。

そこで、本発明は、リニアモータの省配線化を図ることで、リニアモータのロングストローク化を容易にすることを目的とする。

本発明にかかる巻線切替システムは、永久磁石を有する可動子と、各相の相巻線を有してなる巻線群が前記可動子の移動方向に沿って複数並べられた固定子とを備えたリニアモータに設けられる巻線切替システムであって、前記巻線群ごとに設けられ、前記巻線群を励磁状態と非励磁状態との間で切り替える巻線切替器と、前記移動方向における前記可動子の位置を検出する位置検出器と、前記位置検出器で検出された前記可動子の位置に基づいて、励磁状態から非励磁状態に切り替えるべき前記巻線群の前記巻線切替器に向けてＯＦＦ指令を発するとともに、非励磁状態から励磁状態に切り替えるべき前記巻線群の前記巻線切替器に向けてＯＮ指令を発する制御装置と、を備え、前記巻線切替器には、各相の前記相巻線に対してそれぞれスイッチが設けられており、前記ＯＦＦ指令を受けた前記巻線切替器は、各相の前記スイッチを順次ＯＦＦ状態に切り替え、前記ＯＮ指令を受けた前記巻線切替器は、各相の前記スイッチを順次ＯＮ状態に切り替えることを特徴とする。

本発明にかかる巻線切替システムでは、各相の相巻線を有してなる巻線群ごとに巻線切替器が設けられており、制御装置からのＯＮ／ＯＦＦ指令は巻線切替器に向けて発せられる。そして、ＯＮ／ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器が、各相の相巻線に対してそれぞれ設けられたスイッチを順次ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えるよう構成されている。つまり、本発明によれば、制御装置からＯＮ／ＯＦＦ指令を伝達するための配線を、従来技術のように相巻線ごとではなく、巻線群ごとに設ければ済む。したがって、リニアモータの省配線化が可能となり、リニアモータのロングストローク化が容易となる。

ここで、前記巻線切替器には、他の前記巻線切替器との間で前記スイッチの切替タイミングの同期をとるための切替信号を入出力する信号入出力部が設けられており、前記ＯＮ指令を受けた前記巻線切替器は、前記ＯＦＦ指令を受けた前記巻線切替器の前記信号入出力部から出力された前記切替信号を受け取ると、前記ＯＦＦ指令を受けた前記巻線切替器がＯＦＦ状態に切り替えた前記スイッチと同相の前記スイッチをＯＮ状態に切り替えるように構成すると好適である。

かかる構成によれば、ＯＮ指令を受けた巻線切替器においてスイッチをＯＮ状態に切り替えるタイミングを、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器においてスイッチがＯＦＦ状態に切り替えられたタイミングと、良好に同期させることができる。よって、常に同数の相巻線が励磁されることになり、安定した推力を得ることができる。

また、前記巻線切替器は、前記相巻線を流れる相電流がゼロとなったタイミングで当該相巻線の前記スイッチをＯＦＦ状態に切り替えると好適である。

相電流が流れている状態のときにスイッチをＯＦＦ状態に切り替えると、サージ電圧が発生することでスイッチング損失やストレスが大きくなり、スイッチが損傷するおそれがある。そこで、相電流がゼロとなるタイミングでスイッチをＯＦＦ状態に切り替えることで、サージ電圧の発生を防止することができ、スイッチを良好に保護することができる。

また、本発明にかかるリニアモータは、永久磁石を有する可動子と、各相の相巻線を有してなる巻線群が前記可動子の移動方向に沿って複数並べられた固定子とを備えたリニアモータであって、上記いずれかの巻線切替システムを有する。

このようなリニアモータは、上述のように、省配線化が可能となり、リニアモータのロングストローク化が容易となる。

本実施形態にかかるリニアモータの模式図である。 巻線切替器の詳細を示すブロック図である。 巻線切替器の一連の動作を示す模式図である。 巻線切替器の一連の動作を示す模式図である。 スイッチの切替タイミングを説明するためのグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかるリニアモータの模式図である。本実施形態のリニアモータ１は、永久磁石１１を有する可動子１０と、ＵＶＷの各相の相巻線２２を有してなる巻線群２１が可動子１０の移動方向に沿って複数並べられた固定子２０と、固定子２０の励磁状態を制御する巻線切替システム３０と、を有して構成される。なお、各巻線群２１の中性点２３は、互いに接続されて共通となっている。

巻線切替システム３０は、各巻線群２１に対して１つずつ設けられる巻線切替器３１と、可動子１０の移動方向における可動子１０の位置を検出する位置検出器３２と、位置検出器３２で検出された可動子１０の位置に応じて、各巻線群２１の励磁状態を制御する制御装置３３と、を有して構成される。巻線切替器３１の詳細については、後で説明を行う。位置検出器３２は、例えば可動子１０に設けられた光学式センサーやエンコーダ等で構成されており、制御装置３３へ可動子１０の位置情報を出力する。

制御装置３３は、位置検出器３２から出力された可動子１０の位置情報に基づいて、励磁状態から非励磁状態に切り替えるべき巻線群２１と、非励磁状態から励磁状態に切り替えるべき巻線群２１とを決める。そして、非励磁状態に切り替えるべき巻線群２１の巻線切替器３１に向けてＯＦＦ指令を発するとともに、励磁状態に切り替えるべき巻線群２１の巻線切替器３１に向けてＯＮ指令を発する。各巻線群２１は制御装置３３に対して並列に接続されており、制御装置３３から各巻線群２１に順番に三相交流の電流が供給されることで、リニアモータ１が作動する。

図２は、巻線切替器の詳細を示すブロック図である。巻線切替器３１は、制御装置３３と各巻線群２１との間に設けられており、制御装置３３からのＯＮ／ＯＦＦ指令に応じて、巻線群２１を励磁状態と非励磁状態との間で切り替える。巻線切替器３１には、ＵＶＷの各相の相巻線２２に対してそれぞれスイッチ３４が設けられている。スイッチ３４は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子で構成されている。

信号生成部３５は、後述の電流検出部３７、通信部３８または信号入出力部３９からの出力に基づいて、各相のスイッチ３４をＯＮ状態またはＯＦＦ状態へと切り替えるためのＯＮ信号またはＯＦＦ信号を生成し、このＯＮ／ＯＦＦ信号をスイッチ駆動部３６に出力する。スイッチ駆動部３６は、信号生成部３５から出力されたＯＮ／ＯＦＦ信号に応じて、各相のスイッチ３４を駆動するドライブ回路であり、各相のスイッチ３４は、スイッチ駆動部３６によってＯＮ状態またはＯＦＦ状態へと切り替えられる。

電流検出部３７は、各相の相巻線２２を流れる相電流を検出し、信号生成部３５にその情報を出力する。後で詳細に説明するが、本実施形態では、電流検出部３７で検出される各相の相電流がゼロとなるタイミングで、各相のスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替えるようにしている。電流検出部３７は、例えば、ＤＣＣＴ（DC Current Transformer）等の電流検出部、オペアンプ等の増幅部、およびＡ／Ｄコンバータ等のデジタル変換部を組み合わせた一般的な電流検出回路として構成することができる。あるいは、例えば、アナログ値としてコンパレータで比較する方式を電流検出部３７に採用することで、ハードウェアによる電流ゼロクロス検出が可能となり、検出遅れを回避することができる。

通信部３８は、例えば一般的なＲＳ−４８５のインターフェース回路等で構成されており、制御装置３３と各巻線切替器３１の通信部３８との間で１：Ｎの双方向通信が可能となっている。図１において最も左側にある巻線切替器３１の通信部３８が制御装置３３に接続されるとともに、各巻線切替器３１の通信部３８が隣接する巻線切替器３１の通信部３８と接続されることによって、制御装置３３と各巻線切替器３１の通信部３８とが数珠つなぎ状に接続されている。

制御装置３３から各巻線切替器３１の通信部３８に向けては、上述のＯＮ／ＯＦＦ指令が送信される。一方、各巻線切替器３１の通信部３８から制御装置３３に向けては、巻線切替器３１の状態に関する情報（例えば各相のスイッチ３４のＯＮ／ＯＦＦ状態等）がフィードバックされる。制御装置３３は、各巻線切替器３１から適宜送られてくるフィードバック情報により異常検出を行う。

図２に戻って、信号入出力部３９は、入力および出力の両方向に対応したインターフェース回路であり、ＯＮ指令を受けた巻線切替器３１とＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１との間でスイッチ３４の切替タイミングの同期をとるための切替信号の入出力を行う。本実施形態では、各巻線切替器３１の信号入出力部３９は、隣接する巻線切替器３１の信号入出力部３９と接続されており、これらの間で切替信号のやり取りが可能となっている。ここで、信号入出力部３９で入出力される切替信号は、具体的にはスイッチ３４のＯＮ／ＯＦＦ状態を示す信号であるので、２状態を認識可能な電気回路によって信号入出力部３９を構成すれば、切替信号の伝達を迅速に行うことができる。

図３および図４は、巻線切替器の一連の動作を示す模式図である。図３および図４では、励磁状態の相巻線２２を太線で図示してある。ここでは、可動子１０に対向している１つの巻線群２１を励磁させるものとする。なお、以下の説明では、適宜、各巻線群２１を図中左側のものから順番に２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃと表記するとともに、各巻線切替器３１を図中左側のものから順番に３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃと表記する。

図３（ａ）に示すように、可動子１０に対向している巻線群２１Ａを励磁することによって、可動子１０は移動方向（ここでは右から左へと向かう方向）へと移動する。制御装置３３は、位置検出器３２から出力された可動子１０の位置情報に基づいて、励磁状態から非励磁状態に切り替えるべき巻線群２１、および非励磁状態から励磁状態に切り替えるべき巻線群２１を決定する。ここでは、図３（ｂ）に示す位置まで可動子１０が移動すると、制御装置３３は、巻線群２１Ａを非励磁状態に切り替えるべく、巻線切替器３１Ａに向けてＯＦＦ指令を発するとともに、巻線群２１Ｂを励磁状態に切り替えるべく、巻線切替器３１Ｂに向けてＯＮ指令を発する。

ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１Ａは、直ちに各相のスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替えるのではなく、電流検出部３７で検出された各相の相電流がゼロとなったタイミングで、各相のスイッチ３４を順次ＯＦＦ状態に切り替える。ここでは、図５に示すように、まずＵ相の相電流がゼロとなり、Ｕ相のスイッチ３４がＯＦＦ状態に切り替えられるものとする。

具体的には、巻線切替器３１Ａの信号生成部３５は、制御装置３３からＯＦＦ指令を受け、且つ、Ｕ相の相電流がゼロになると、Ｕ相のスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替えるためのＯＦＦ信号を生成し、これをスイッチ駆動部３６に出力する。スイッチ駆動部３６は、信号生成部３５からＯＦＦ信号を受け取ると、Ｕ相のスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替える。また、信号生成部３５で生成されたＯＦＦ信号は、信号入出力部３９にも出力される。このＯＦＦ信号が切替信号として、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１Ａの信号入出力部３９から、ＯＮ指令を受けた巻線切替器３１Ｂの信号入出力部３９へ出力される。

ＯＮ指令を受けた巻線切替器３１Ｂは、直ちに各相のスイッチ３４をＯＮ状態に切り替えるのではなく、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１Ａの信号入出力部３９から出力された切替信号を受け取ったタイミングで、巻線切替器３１ＡがＯＦＦ状態に切り替えた相（ここではＵ相）と同相のスイッチ３４をＯＮ状態に切り替える。具体的には、巻線切替器３１Ｂの信号生成部３５は、制御装置３３からＯＮ指令を受け、且つ、巻線切替器３１Ａから切替信号を受け取った時点で、Ｕ相のスイッチ３４をＯＮ状態に切り替えるためのＯＮ信号を生成し、これをスイッチ駆動部３６に出力する。

その結果、巻線群２１ＡのＵ相の相巻線２２が非励磁状態に切り替えられるのとほぼ同時に、巻線群２１ＢのＵ相の相巻線２２が励磁状態に切り替えられ、図３（ｃ）に示す励磁状態となる。ここで、励磁される各相の相巻線２２の一部が可動子１０に対向しており、一部が可動子１０に対向していない状態だとすると、各相の相巻線２２のインピーダンスに差が生じ、三相不平衡状態が発生する。しかしながら、本実施形態のように、可動子１０に対向している各相の相巻線２２が常に励磁されるによって、各相の相巻線２２のインピーダンスに差が生じることを抑え、三相不平衡状態の発生を回避できるので、脈動のない安定した推力を得ることができる。

同様に、巻線群２１ＡのＶ相、Ｗ相の相電流がそれぞれゼロとなったタイミングで、巻線切替器３１ＡのＶ相、Ｗ相のスイッチ３４が順次ＯＦＦ状態に切り替えられるとともに、巻線切替器３１ＢのＶ相、Ｗ相のスイッチ３４が順次ＯＮ状態に切り替えられる。その結果、図４（ａ）に示すように、巻線群２１Ａが非励磁状態になるとともに、巻線群２１Ｂが励磁状態となり、巻線群２１Ｂに対向している可動子１０が引き続き移動方向へ移動可能となる。

次に、図４（ｂ）に示す位置まで可動子１０が移動すると、制御装置３３は、巻線群２１Ｂを非励磁状態に切り替えるべく、巻線切替器３１Ｂに向けてＯＦＦ指令を発するとともに、巻線群２１Ｃを励磁状態に切り替えるべく、巻線切替器３１Ｃに向けてＯＮ指令を発する。上述と同じ手順で、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１Ｂは、各相のスイッチ３４を順次ＯＦＦ状態に切り替え、ＯＮ指令を受けた巻線切替器３１Ｃは、各相のスイッチ３４を順次ＯＮ状態に切り替える。その結果、図４（ｃ）に示すように、巻線群２１Ｂが非励磁状態になるとともに、巻線群２１Ｃが励磁状態となり、巻線群２１Ｃに対向している可動子１０が引き続き移動方向へ移動可能となる。以下、上述の動作が繰り返される。

（効果）
以上のように、本実施形態の巻線切替システム３０では、各相の相巻線２２を有してなる巻線群２１ごとに巻線切替器３１が設けられており、制御装置３３からのＯＮ／ＯＦＦ指令は巻線切替器３１に向けて発せられる。そして、ＯＮ／ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１が、各相の相巻線２２に対してそれぞれ設けられたスイッチ３４を順次ＯＮ／ＯＦＦ状態に切り替えるよう構成されている。つまり、本実施形態の巻線切替システム３０によれば、制御装置３３からＯＮ／ＯＦＦ指令を伝達するための配線を、従来技術のように相巻線２２ごとではなく、巻線群２１ごとに設ければ済む。したがって、リニアモータ１の省配線化が可能となり、リニアモータ１のロングストローク化が容易となる。また、巻線群２１と巻線切替器３１とからなるユニットを増設するだけで容易にロングストローク化可能という点も有利である。

また、本実施形態では、巻線切替器３１には、他の巻線切替器３１との間でスイッチ３４の切替タイミングの同期をとるための切替信号を入出力する信号入出力部３９が設けられており、ＯＮ指令を受けた巻線切替器３１は、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１の信号入出力部３９から出力された切替信号を受け取ると、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１がＯＦＦ状態に切り替えたスイッチ３４と同相のスイッチ３４をＯＮ状態に切り替えるように構成されている。かかる構成によれば、ＯＮ指令を受けた巻線切替器３１においてスイッチ３４をＯＮ状態に切り替えるタイミングを、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１においてスイッチ３４がＯＦＦ状態に切り替えられたタイミングと、良好に同期させることができる。よって、常に同数の相巻線２２が励磁されることになり、安定した推力を得ることができる。

また、ある相巻線２２に相電流が流れている状態のときにスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替えると、サージ電圧が発生することでスイッチング損失やストレスが大きくなり、スイッチ３４が損傷するおそれがある。そこで、本実施形態のように、巻線切替器３１が、相巻線２２を流れる相電流がゼロとなったタイミングで当該相巻線２２のスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替えるようにすることで、サージ電圧の発生を防止することができ、スイッチを良好に保護することができる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、可動子１０に対向する１つの巻線群２１を励磁させるものとした。しかしながら、可動子１０に対向する複数の巻線群２１を同時に励磁させるようにしてもよい。なお、複数の巻線群２１を同時に励磁させる場合には、スイッチ３４の切替タイミングが同期されるべき２つの巻線切替器３１の信号入出力部３９同士が接続される。

また、上記実施形態では、サージ電圧による不具合を解消するため、各相の相電流がゼロとなったタイミングでスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替えるものとした。しかしながら、サージ電圧が特に問題とならない場合には、ＯＦＦ指令を受けた巻線切替器３１が直ちに各相のスイッチ３４をＯＦＦ状態に切り替えるようにしてもよい。

１：リニアモータ
１０：可動子
１１：永久磁石
２０：固定子
２１：巻線群
２２：相巻線
３０：巻線切替システム
３１：巻線切替器
３２：位置検出器
３３：制御装置
３４：スイッチ
３９：信号入出力部

Claims (4)

1. 永久磁石を有する可動子と、各相の相巻線を有してなる巻線群が前記可動子の移動方向に沿って複数並べられた固定子とを備えたリニアモータに設けられる巻線切替システムであって、
   前記巻線群ごとに設けられ、前記巻線群を励磁状態と非励磁状態との間で切り替える巻線切替器と、
   前記移動方向における前記可動子の位置を検出する位置検出器と、
   前記位置検出器で検出された前記可動子の位置に基づいて、励磁状態から非励磁状態に切り替えるべき前記巻線群の前記巻線切替器に向けてＯＦＦ指令を発するとともに、非励磁状態から励磁状態に切り替えるべき前記巻線群の前記巻線切替器に向けてＯＮ指令を発する制御装置と、
   を備え、
   前記巻線切替器には、各相の前記相巻線に対してそれぞれスイッチが設けられており、
   前記ＯＦＦ指令を受けた前記巻線切替器は、各相の前記スイッチを順次ＯＦＦ状態に切り替え、前記ＯＮ指令を受けた前記巻線切替器は、各相の前記スイッチを順次ＯＮ状態に切り替えることを特徴とする巻線切替システム。
2. 前記巻線切替器には、他の前記巻線切替器との間で前記スイッチの切替タイミングの同期をとるための切替信号を入出力する信号入出力部が設けられており、
   前記ＯＮ指令を受けた前記巻線切替器は、前記ＯＦＦ指令を受けた前記巻線切替器の前記信号入出力部から出力された前記切替信号を受け取ると、前記ＯＦＦ指令を受けた前記巻線切替器がＯＦＦ状態に切り替えた前記スイッチと同相の前記スイッチをＯＮ状態に切り替える請求項１に記載の巻線切替システム。
3. 前記巻線切替器は、前記相巻線を流れる相電流がゼロとなったタイミングで当該相巻線の前記スイッチをＯＦＦ状態に切り替える請求項１または２に記載の巻線切替システム。
4. 永久磁石を有する可動子と、各相の相巻線を有してなる巻線群が前記可動子の移動方向に沿って複数並べられた固定子とを備えたリニアモータであって、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の巻線切替システムを有するリニアモータ。

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