JP2017017953A - 巻線切替システムおよびリニアモータ - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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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2015
- 2015-07-06 JP JP2015135311A patent/JP2017017953A/ja active Pending
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